湿度是关键：国际研究人员、深度学习和 NVIDIA GPU 如何改变天气预报

MagicJack

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原创 NVIDIA  NVIDIA英伟达  2025年09月09日

AI 将卫星数据转化成 3D 水汽地图，把模糊的图像快照变成风暴监测细节。

一个多世纪以来，气象学家们一直在用手工演算、方程式来追踪风暴，如今则用上了超级计算机。然而，尽管技术不断进步，气象学家仍在一个看似简单的因素上屡屡受挫，那就是水汽。

湿度是雷暴、暴洪和飓风的无形“燃料”。它决定了一场雨是匆匆而过的小雨，还是能让你飞奔着寻找遮蔽处的夏季倾盆大雨。而迄今为止，卫星始终难以捕捉到足够详细的湿度数据，无法在天色骤变之前向我们发出预警。

来自弗罗茨瓦夫环境与生命科学大学（UPWr）的一个团队或许能改变这一现状。在本月发表于《卫星导航》期刊的一篇论文中，研究人员介绍了深度学习如何将基于全球导航卫星系统（GNSS）的模糊大气快照转化为清晰的 3D 湿度地图，从而揭示出影响局部天气状况的隐藏漩涡。

其秘诀是超分辨率生成对抗网络（SRGAN），这种 AI 技术最广为人知的用途是让粗糙的照片变得清晰。研究人员并未以名人或风景作为训练对象，而是用全球气象数据训练该网络，并借助了 NVIDIA GPU 的强大算力。最终，来自导航卫星的低分辨率观测数据被“升级”为高分辨率湿度地图，误差大幅减少。

在波兰，这种技术将误差降低到了原来的 62%；在美国加利福尼亚州，即便在最容易出现预报偏差的雨天，误差也减少了 52%。与以往那些会把细节模糊成水彩画般效果的方法相比，这种 AI 技术能生成清晰的梯度信息，与地面仪器观测到的结果完全吻合。

而且，由于天气预报既关乎准确性又关乎可信度，该团队还加入了一个创新点：可解释 AI。他们利用 Grad-CAM 和 SHAP 等可视化工具，展示了该模型在做决策时“关注”的区域。令人安心的是，AI 的“目光”落在了易发生风暴的区域（波兰的西部边境、美国加州沿海山脉），这些地方正是预报员们所熟知的大气容易变得恶劣的地方。

该论文的主要作者、UPWr 的助理教授 Saeid Haji-Aghajany 表示：“在预测那些会扰乱人们生活的天气时，高分辨率、可靠的湿度数据是目前缺失的一个环节。我们的方法不仅提高了 GNSS 层析成像的清晰度，还向我们展示了模型如何做出决策。随着 AI 进入天气预报领域，这种透明度对于建立信任至关重要。”

这个方法的潜在影响是巨大的。将这些更清晰的湿度场输入基于物理或 AI 驱动的天气模型之后，天气模型就能在突发暴雨或暴洪前进行预报。在天气骤变的地区，人们就可以有足够的时间做好准备。

而这一切都取决于一个常常被忽视的因素：不是雷声，不是闪电，而是湿度。


论文：
Haji-Aghajany, S., Izanlou, S., Tasan, M. et al. High-resolution GNSS troposphere tomography through explainable deep learning-based downscaling framework. Satell Navig 6, 22 (2025). https://doi.org/10.1186/s43020-025-00177-6