在應對極端天氣、提升氣候韌性的關鍵領域,香港科技大學取得了一項突破性進展。科大研究團隊成功研發出一種人工智能模型,能夠提前長達四小時預警危險的強對流風暴,包括多次襲港的「黑色暴雨」及雷暴和及突發性強降雨等。這項全球首創的技術由科大與國家級氣象機構合作開發。與現有系統相比,該模型利用衛星數據及先進的深度擴散技術,能在 48 平方公里的空間尺度上將預報準確率提升超過 15%,這不僅顯著增強了國家氣象預報系統的整體精準度,也為亞洲乃至全球防災能力較弱的地區帶來了更有效的早期預警,以應對氣候突變的風險。
這項研究與「沿海城市氣候韌性國家重點實驗室」(SKL-CRCC ) 的核心目標高度契合。該實驗室於去年獲中國科學技術部批准成立,現由實驗室主任吳宏偉教授領導。他同時擔任科大副校長(大學拓展)、及中電控股可持續發展學教授。
2023年7月29日京津冀地區受颱風杜蘇芮影響,下起連場暴雨,圖中顯示現有模型 NowcastNet 與 PredRNN-v2 在 4 小時預報情況下無法提供準確的預測結果,而 PySTEPS 模型亦然。相比之下,DDMS 展現更精準的臨近預報能力。
研究團由科大沿海城市氣候韌性全國重點實驗室之氣候變化與極端天氣方向科研主管、土木及環境工程學系講座教授兼「傑出創科學人」蘇慧教授,聯同博士後研究員代快博士,並與哈爾濱工業大學(深圳)計算機科學與技術學院、中國氣象局熱帶海洋氣象研究所及國家衛星氣象中心的學者組成。研究成果已發表於《美國國家科學院院刊》,論文題為〈利用衛星數據驅動的深度擴散模型實現四小時對流預報〉。
近年極端天氣的情況愈趨頻繁,香港去年夏季曾在八日內四度發出黑色暴雨警告;印尼峇里島、泰國南部等地亦遭受暴雨洪澇重創,造成重大人命傷亡和經濟損失。現行天氣預報主要依靠數值模式模擬大氣狀態,運算成本高昂且易受大氣混沌性及觀測資料不足的影響,對於快速發展且尺度細小的對流系統(如雷暴及暴雨),準確預報時間通常僅能提前 20 分鐘至兩小時。如此短暫的預警時間,令政府部門、應急部門和公眾在災害來臨前幾乎來不及部署、疏散或採取有效防災措施。
為應對上述挑戰,由科大學者帶領的研究團隊開發了一套全新 AI 運算框架——「基於衛星數據的深度擴散模型(deep diffusion model of satellite data，DDMS)」。該模型運用生成式 AI 最前沿的深度學習訓練架構,在訓練過程中於數據注入噪音,讓模型能學習如何反向生成高品質預報信息。團隊利用中國風雲四號衛星於 2018 至 2021 年間取得的紅外亮溫觀測資料進行模型訓練,並結合氣象專業知識,以精準捕捉對流雲系的時空演變特徵;其後再以 2022 至 2023 年春夏季樣本對模型表現進行驗證。
團隊成功開發全球首個可提前四小時預報雷暴發展的 AI 系統,在 48 平方公里分辨率下,其預報準確度較現行模型提升逾15%。
其他技術突破包括:
• 提供高分辨率、約每15 分鐘更新一次的高頻率預報,覆蓋範圍面積達約 2，000 萬平方公里,包括中國、韓國、東南亞等地區。
• 在多種空間尺度(4公里至 48 公里)和不同季節下均表現穩定,尤其在2至4小時預報時窗中準確度尤為突出。該模型恰恰能在傳統模型預報方法最薄弱的環節發揮優勢,在這一關鍵預警時段內,其準確率提升幅度在3%至 16%之間,平均提升達 8.26%。
科大沿海城市氣候韌性全國重點實驗室之氣候變化與極端天氣方向科研主管、土木及環境工程學系講座教授兼「傑出創科學人」蘇慧教授(右),聯同博士後研究員代快博士(左)合影。
論文第一作者代快博士表示：「傳統天氣預報主要依賴地面雷達,但雷達訊號易受地形、降水粒子特性等因素影響,且通常需待對流雲發展完成後才能觀測到明顯變化,導致預報時效滯後。新 AI 模型利用衛星從太空監測雲團演變,能更早識別對流初生跡象。DDMS 為大氣監測和暴雨預警帶來重大突破,該技術可更早掌握大氣變化,讓預報更準、更快,直接提升地區的災害防護和應變能力。」
蘇慧教授表示：「是次研究是大學團隊與國家級機構——中國氣象局及國家衛星氣象中心攜手合作的成果,為相關部門提供了一個極具參考價值的新模型。系統的算法日後可適用於不同的衛星數據,未來能擴大覆蓋範圍,協助更多國家和地區應對日益嚴峻的氣候挑戰。同時,系統具備商業化潛力,能為能源、保險等行業提供更精準的風險預測,協助企業及早評估極端天氣可能帶來的影響,提升整體應變能力。這不僅是技術的進步,更是從觀測天氣邁向智能預判天氣的範式轉移。在氣候暖化的時代,此種能力對人類的安全與永續未來至關重要。」
研究的共同作者包括哈爾濱工業大學(深圳)計算機科學與技術學院教授李旭濤教授、葉允明教授和博士生余德民;中國氣象局熱帶海洋氣象研究所助理研究員方俊穎;以及國家衛星氣象中心主任王勁松博士、國家衛星中心科技與國際合作處處長咸迪和國家衛星中心遙感應用服務中心主任覃丹宇。
香港教育大學(教大)作為師範教育的領軍者，一直積極推動將人工智能(AI)及先進科技融入教學，以提升學與教效能。教大星期一(1月26日)舉辦記者會，公布兩項教育科技成果:語言學習社交機械人 Joey 及情緒健康支援應用程式 EmoCare。兩項成果不僅協助教師及社工善用 AI 提升學生的學習動力與專注力，亦關顧學生的情緒健康。
兩款產品已於數十所學校試用，並獲師生一致好評。有見及此，兩個研究團隊均已成立公司，積極尋求與業界合作推動技術商品化。透過融合人機互動與藝術元素，讓科技成為學習旅程中的陪伴與支持。
研究團隊成員即場演示Joey。
教大舉行分享會，展示兩項AI教育工具成果——Joey和EmoCare。
語言學習社交機械人 Joey 三年惠及逾二千師生
由教大協理副校長(學術質素保證)及心理學系教授楊少詩教授領導的研究團隊研發的社交機械人 Joey，專為 K2至P3 學童而設，其可愛面貌、生動的面部表情與手部動作，能有效吸引學童注意力。透過聆聽、共同講述及覆述故事等活動，Joey 讓學童在自然交流中逐步提升英語的理解與表達能力，並促進社交及情感認知。
研究顯示，與平板電腦及外型較機械化的機械人相比，使用 Joey 的孩童於20 分鐘講故事環節中表現出更持久的投入度，在活動後段的專注力較前者提升 5.43%，效果與真人講故事相若，其英語故事理解分數亦高出 21.2%。在18間參與測試的學校中，83%的教師認為 Joey 有效提升學童學習英語的興趣和動機。
此外，Joey 配備內容管理系統，方便教師上傳教學材料，並可透過AI技術生成圖片、聲音和理解練習，支援互動學習;系統同時提供學童的學習表現數據，協助老師調整教學內容，因材施教。
Joey項目負責人、教大協理副校長（學術質素保證）及心理學系教授楊少詩教授介紹研發詳情。
楊少詩教授表示:「各地政府近年都大力推動數字教育，例如香港政府近日便撥款5億元推行為期三年的『智』啟學教計劃，以支援中小學善用人工智能提升學與教效能。這些政策顯示，AI已被視為教育未來的重要方向。我們希望最大限度發揮社交機械人在教育中的應用價值，同時會持續研究與開發，確保能夠適應不斷變化的教育需求。事實上，為學界提供支持，推動學校在教學中更有效應用人工智能，是教大未來策略發展的重要項目之一。」
團隊研究顯示，使用 Joey 的孩童活動後段的專注力與平板電腦及外型較機械化的機械人相比提升 5.43%。
有份引入 Joey 的香港東區婦女福利會幼兒園校長黃婉儀女士及兩位老師認為，除有效吸引幼兒的注意力並激發他們對英語的興趣外，Joey 提供的學習數據分析報告亦對老師有莫大的幫助。
香港東區婦女福利會幼兒園校長黃婉儀女士及兩位老師在線上分享，認為Joey對學生與老師都有莫大的幫助。
此項目獲創新科技署「創科生活基金」資助，至今已進入第三年，共惠及逾30間本地小學及幼稚園，服務2000多名師生，獲得學校、教師及學童的廣泛好評;並榮獲2024年勒拿大國際發明創新大賽(iCAN)金獎及評審特選獎，以及2024年矽谷國際發明展(SVIIF)金獎及特別獎等國際殊榮。
研究團隊未來將繼續與不同學校合作，優化機械人功能，包括拓展機械人在其他語言學習領域的應用。團隊亦成立了初創企業EduFuture Robotics，推進研究成果商業化。
EmoCare項目負責人、教大數學與資訊科技學系教授宋燕捷教授介紹研發詳情。
AI結合正向心理學 EmoCare 改善學童情緒健康
另一方面，由教大卓越教學發展中心(CELT)副總監及數學與資訊科技學系教授宋燕捷教授領導的團隊研發的 EmoCare 程式，結合大AI 與 PERMA 正向心理學模型，並透過日記反思、生成圖像、與 AI 夥伴對話及情緒追蹤，協助學生進行情緒調節與自我反思，建立正向心理狀態。
AI 聊天機器人曾被視為一個低成本而便捷的大眾心理支援方案，然而不少研究顯示，這些工具可能引入偏見和失誤，甚至導致危險後果。有別與一般 LLM 生成的對話及圖像，EmoCare 加入了 PERMA 正向心理學模型。用家如於系統日記功能中記載傷心或生氣的遭遇，系統會在生成相關圖像時加入正向元素，為用家的情緒或自我調解提供支持，避免他們過度陷入負面情緒。
團隊研究顯示，用家使用EmoCare後的幸福感指數平均提升達 1.881 分，較其他未加入PERMA模型的生成系統高出約 14.6%。
根據近700名曾試用EmoCare 的中小學和大學生，包括68名有特殊教育需要(SEN)學生的統計數據顯示，用家使用後的幸福感指數平均提升達1.881分，較其他未加入 PERMA 模型的生成系統高出約14.6%。在 SEN 學生群體中，近94% 在連續使用EmoCare 一個月後，情緒狀態出現改善。
PERMA 涵蓋 Positive Emotion(正向情緒)、Engagement(全情投入)、Relationships(正向人際)、Meaning(生命意義)和Accomplishment(成就感)五個維度。團隊分析發現，SEN 學生特別著重在成就感方面獲得認同。宋教授表示:「針對這項發現，我們計劃於未來的研究，進一步加強 SEN 學生對追求『成就感』方面的支持，設計更貼近他們學習與情感發展的互動模式。」她補充，未來團隊還準備開發大數據可視化平台，協助教育及心理輔導專業人員掌握學生情緒趨勢，並將以 B2B 模式推廣至學校及教育機構，供學生使用。
（左起）教大特殊需要與融合教育研究所執行所長冼權鋒教授、香港心理輔導中心藝術心理治療師周慶中先生，以及香港聖公會何明華中學校長金偉明先生分享對EmoCare的專業見解。
香港心理輔導中心藝術心理治療師周慶中先生表示:「EmoCare 的開發配合青少年心智成長發展的興趣和需要，使用者以文字宣洩生活的喜與悲，平台則以PERMA為本，透過AI生成圖像作回應，這種互動具心理輔導的成分，輔導員適時介入，必能提升輔導效能。」
有約120位學生應用 EmoCare 的聖公會何明華中學校長金偉明先生認為:「AI固然能培養同學們的學習能力，而 EmoCare 的特別之處在於同時關注學生的情緒與成長，讓教育更具人情溫度。」特殊需要與融合教育研究所執行所長冼權鋒教授認為:「身心健康始於覺察。EmoCare 協助有特殊教育需要的青年學會觀察、反思並作出審慎回應。在適切支援和自我調節行為的引導下，他們能夠培養韌性，並在社交圈子中享有更廣泛的共融。」
EmoCare 已於「一帶一路特殊教育國際研討會2025」及「創新科技嘉年華2025」亮相，並透過便攜式打印機即時生成日記內容及相關圖像，廣受學生、家長及教育工作者歡迎。由宋教授成立的初創企業 MetaAI，現正積極尋求業界合作夥伴以推動商業化應用，期望讓其創新成果惠及香港、粵港澳大灣區乃至更廣泛地區的學生群體。
