沙塵暴突襲、野火煙霧飄散、工業(yè)污染擴(kuò)散……這是大氣污染物“肆掠”的典型場(chǎng)景。如果能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)大氣污染物出現(xiàn)和消散的時(shí)間，將大大提高人們的生活質(zhì)量。

然而，此前的觀測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)難以滿足日益復(fù)雜的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)需求。

如何擺脫困境？一套由中國(guó)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“環(huán)境氣象多要素智能感知及大模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了從監(jiān)測(cè)裝備到感知方法再到預(yù)報(bào)模式的全鏈條創(chuàng)新，為破解復(fù)雜大氣污染難題提供了中國(guó)方案。

不久前，該系統(tǒng)入選中國(guó)科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體發(fā)布的“2024年度中國(guó)生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展”。

解決監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)三大難題

大氣，就像一個(gè)精密運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)室。其中，氣溶膠、臭氧、沙塵等成分直接影響著空氣質(zhì)量乃至全球氣候。但長(zhǎng)期以來(lái)，人類對(duì)這個(gè)“實(shí)驗(yàn)室”的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，始終面臨著三重“卡脖子”難題。

首先是“看不清楚”。中國(guó)氣象科學(xué)研究院副院長(zhǎng)車慧正解釋，過(guò)去，觀測(cè)大氣氣溶膠的“超級(jí)眼睛”——地基遙感裝備，幾乎全靠進(jìn)口，而且這些儀器的核心校準(zhǔn)技術(shù)和數(shù)據(jù)解讀方法從不公開?！斑@意味著，我們拿著別人的工具做研究，不僅成本高昂，關(guān)鍵數(shù)據(jù)還可能失真?！避嚮壅f(shuō)。

更麻煩的是，我國(guó)地面觀測(cè)站數(shù)量有限。在廣袤的國(guó)土上，很多地區(qū)都是監(jiān)測(cè)盲區(qū)。雖然衛(wèi)星遙感能覆蓋全局，但是它在夜間或陰天就會(huì)“罷工”，根本抓不到那些在暗處“作亂”的氣溶膠。

其次是“算不明白”。車慧正說(shuō)，傳統(tǒng)物理模型依賴復(fù)雜的公式推演，但污染源排放數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜、氣溶膠化學(xué)反應(yīng)機(jī)制難算清……一堆不確定因素疊加，導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果常?！芭芷?。更棘手的是，一次高精度全球預(yù)報(bào)需超級(jí)計(jì)算機(jī)耗時(shí)數(shù)小時(shí)計(jì)算，難以滿足污染快速變化的應(yīng)急需求。

最后是“用不精準(zhǔn)”。車慧正舉例，環(huán)保部門在知道哪類污染物是“主力”后，才能針對(duì)性減排。而且，交通運(yùn)輸、空管等部門高度依賴高精度、實(shí)時(shí)更新的能見度數(shù)據(jù)，以此保障道路通行與航班起降安全。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系提供的數(shù)據(jù)往往不夠全面、更新滯后或精度不足，難以滿足這些日益精細(xì)化、時(shí)效性強(qiáng)的實(shí)際管理需求。

當(dāng)人類活動(dòng)和氣候變化讓大氣污染變得越來(lái)越復(fù)雜——沙塵與工業(yè)污染“聯(lián)手”、臭氧污染在夏季“突襲”、野火煙霧跨洲際“旅行”——我國(guó)環(huán)境治理和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)面臨的挑戰(zhàn)也愈發(fā)嚴(yán)峻?！氨仨毚蛟煲惶讓儆谥袊?guó)自己的‘大氣智能感知與預(yù)報(bào)系統(tǒng)’?！避嚮壅f(shuō)，這正是團(tuán)隊(duì)研發(fā)的初衷。

系統(tǒng)“鋪設(shè)”強(qiáng)大“神經(jīng)網(wǎng)”

2018年，中國(guó)氣象科學(xué)研究院聯(lián)合清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所等機(jī)構(gòu)，組成跨學(xué)科研發(fā)團(tuán)隊(duì)。車慧正作為首席科學(xué)家，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從“造裝備、建方法、搭模型”三個(gè)方向攻堅(jiān)，為“環(huán)境氣象多要素智能感知及大模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)”鋪設(shè)“神經(jīng)網(wǎng)”。

團(tuán)隊(duì)花了5年時(shí)間，研制出系統(tǒng)所需的重要裝備——“全自動(dòng)太陽(yáng)—天空—月亮多波段光度計(jì)”。這臺(tái)國(guó)產(chǎn)裝備具備365天24小時(shí)連續(xù)穩(wěn)定觀測(cè)的能力，為全天候監(jiān)測(cè)大氣成分提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“它的原理很巧妙?！避嚮壅忉屨f(shuō)，就像我們通過(guò)看陽(yáng)光穿過(guò)霧霾時(shí)的顏色變化，能大致判斷污染輕重一樣，這臺(tái)裝備能捕捉不同波段的光線在大氣中的軌跡。通過(guò)分析“光影密碼”，它能算出氣溶膠80多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，比如顆粒大小、成分、光學(xué)特性等。

團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了“智能解碼”算法，幫助系統(tǒng)對(duì)大氣進(jìn)行精密“成分診斷”，能精準(zhǔn)量化不同來(lái)源和類型氣溶膠對(duì)大氣污染的“貢獻(xiàn)”，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)分不清誰(shuí)是污染“主謀”的難題。

接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)深度挖掘國(guó)際氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)的歷史資料，構(gòu)建出包含近30年全球高精度氣溶膠數(shù)據(jù)的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)。這相當(dāng)于給系統(tǒng)準(zhǔn)備了“海量習(xí)題集”，為后續(xù)的智能預(yù)報(bào)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“僅靠單一的地面觀測(cè)遠(yuǎn)不夠全面?！敝袊?guó)氣象科學(xué)研究院副研究員桂柯坦言，“過(guò)去，來(lái)自衛(wèi)星遙感、地基臺(tái)站和數(shù)值模擬的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，因其時(shí)空尺度、精度和觀測(cè)原理的顯著差異，如同散落的拼圖，難以有效融合利用?！?/p>

為此，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了智能融合感知方法，成功將衛(wèi)星的廣域覆蓋優(yōu)勢(shì)、地基站點(diǎn)的高精度連續(xù)觀測(cè)能力以及模式模擬的優(yōu)勢(shì)，整合成統(tǒng)一的“大氣環(huán)境時(shí)空演變?nèi)皥D”。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)收集了高時(shí)空分辨率歷史數(shù)據(jù)，清晰記錄了過(guò)去20年我國(guó)主要污染物的“遷徙路線”。比如，團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2013—2020年我國(guó)人群PM2.5年均暴露水平下降48%，其中減排是PM2.5濃度下降的主導(dǎo)因素。這些數(shù)據(jù)為“環(huán)境氣象多要素智能感知及大模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)”打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

研制“環(huán)境氣象多要素智能感知及大模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)”過(guò)程中最核心的突破，是團(tuán)隊(duì)開發(fā)的全球首個(gè)氣溶膠—?dú)庀篑詈项A(yù)報(bào)AI大模型（AI-GAMFS）。這個(gè)包含13億個(gè)參數(shù)的“超級(jí)大腦”擁有驚人的計(jì)算速度。傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行一次全球氣象預(yù)報(bào)要“埋頭苦干”數(shù)小時(shí)，而它1分鐘內(nèi)就能完成，還能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)沙塵的“行進(jìn)路線”、污染物的“消散時(shí)間”。

桂柯表示，與國(guó)際頂尖的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心和美國(guó)航空航天局的氣溶膠預(yù)報(bào)系統(tǒng)相比，AI-GAMFS在東亞地區(qū)的沙塵預(yù)報(bào)誤差降低了38%—74%。

多地上崗“大氣醫(yī)生”

從西北沙漠到東部城市群，如今“環(huán)境氣象多要素智能感知及大模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)”已在中央氣象臺(tái)及新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、陜西等14個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）氣象部門“上崗”。

2025年4月，四川盆地發(fā)生多起北方強(qiáng)沙塵暴過(guò)程遠(yuǎn)距離傳輸入侵事件。該系統(tǒng)下的AI-GAMFS模型提前120小時(shí)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)了沙塵抵達(dá)四川盆地的時(shí)間和強(qiáng)度，預(yù)報(bào)與實(shí)際高度吻合，顯著提升了沙塵暴精細(xì)化預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)水平。

截至2024年底，該系統(tǒng)研發(fā)的相關(guān)成果已發(fā)表13篇SCI論文，獲4項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，還拿下了中國(guó)氣象服務(wù)協(xié)會(huì)AI氣象應(yīng)用大賽的兩項(xiàng)大獎(jiǎng)。

在車慧正看來(lái)，大氣污染防治就像醫(yī)生看病，首先要“看清病灶”（精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)），然后“找準(zhǔn)病因”（機(jī)理研究），最后“對(duì)癥下藥”（精準(zhǔn)治理）。而“環(huán)境氣象多要素智能感知及大模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)”正是一位“大氣醫(yī)生”，旨在讓每一次污染過(guò)程都“可測(cè)、可報(bào)、可控”。