科大AI模型突破強對流天氣預警 提前四小時預報準確率提升逾15%

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。

香港大學建築學院研究團隊成功研發一套創新的人工智能（AI）建築檢測系統「eCheckGo」，旨在應對樓宇老化帶來的安全評估挑戰，並實現快速、大規模的樓宇巡查。

打破傳統檢測限制

隨著樓齡達50年或以上的私人樓宇數量預計將由2020年底的約8,700幢，增至2030年的近14,000幢，傳統以人手進行的樓宇巡查既耗時又成本高昂，難以滿足龐大的維修保養需求。由陳俊傑教授與呂偉生教授帶領的團隊研發的eCheckGo系統，透過其自主研發的「缺陷檢測大模型」(LdM)驅動，能於數秒內分析數十張影像，檢測速度較現有其他自動化方案至少快100倍，成本效益亦提升達8倍。

港大研發「eCheckGo」AI 建築檢測系統。港大圖片

直觀互動3D模型呈現缺陷

該系統設計簡便，用户可透過手機應用程式拍攝建築影像或直接使用Google街景圖。AI系統會自動偵測裂縫、混凝土剝落等缺陷，並將分析結果整合至生成的3D雲端數據點。用户可透過互動式3D模型放大或縮小畫面，清楚檢視缺陷的實際形狀、尺寸及位置，從而協助作出更及時的維修決策。

港大研發「eCheckGo」AI 建築檢測系統。港大圖片

經實證的大規模應用效能

為驗證系統能力，團隊曾利用九龍區9,172幢建築物的Google街景圖像進行全區測試。系統在短短四小時內，便生成了一份彩色編碼標示的樓宇缺陷評分地圖（評分等級為0健康至10危險），相關結果其後已由專業建築測量師實地核實。此項突破性技術更於第51屆日內瓦國際發明展中榮獲「評判特別嘉許金獎」。

港大研發「eCheckGo」AI 建築檢測系統。港大圖片

轉化科研成果惠及社區

陳俊傑教授強調，及早偵測對樓宇安全至關重要，而eCheckGo的優勢在於能以直觀方式呈現建築物整體狀況，突破傳統方法的限制。目前，政府部門及業界團體正就系統在社區層面的應用展開積極討論。研究團隊亦正擴展系統功能，包括新增偵測漏水及滲水問題，以及自動生成符合專業格式的文字報告，致力將尖端科研轉化為應對城市老化問題的可行方案。