We present FengWu, an advanced data-driven global medium-range weather forecast system based on Artificial Intelligence (AI). Different from existing data-driven weather forecast methods, FengWu solves the medium-range forecast problem from a multi-modal and multi-task perspective. Specifically, a deep learning architecture equipped with model-specific encoder-decoders and cross-modal fusion Transformer is elaborately designed, which is learned under the supervision of an uncertainty loss to balance the optimization of different predictors in a region-adaptive manner. Besides this, a replay buffer mechanism is introduced to improve medium-range forecast performance. With 39-year data training based on the ERA5 reanalysis, FengWu is able to accurately reproduce the atmospheric dynamics and predict the future land and atmosphere states at 37 vertical levels on a 0.25{\deg} latitude-longitude resolution. Hindcasts of 6-hourly weather in 2018 based on ERA5 demonstrate that FengWu performs better than GraphCast in predicting 80\% of the 880 reported predictands, e.g., reducing the root mean square error (RMSE) of 10-day lead global z500 prediction from 733 to 651 $m^{2}/s^2$. In addition, the inference cost of each iteration is merely 600ms on NVIDIA Tesla A100 hardware. The results suggest that FengWu can significantly improve the forecast skill and extend the skillful global medium-range weather forecast out to 10.75 days lead (with ACC of z500 > 0.6) for the first time.


翻译:我们提出了丰五(FengWu),这是一种基于人工智能(AI)的先进数据驱动的全球中期天气预报系统。与现有的数据驱动天气预报方法不同的是,丰五从多模态和多任务的角度解决了中期预报问题。具体而言,我们设计了一种深度学习架构,配备了模型特定的编码器-解码器和跨模态融合Transformer,根据不确定性损失在区域自适应方式下平衡不同预测器的优化。此外,我们引入了一个回放缓冲机制,以改善中期预报性能。在对ERA5再分析的39年数据训练下,丰五能够准确地再现大气动力学,并在0.25{\deg}纬度 - 经度分辨率上预测未来37个垂直层次的陆地和大气状态。基于ERA5的2018年6小时天气预报表明,丰五在预测880个报告的预测对象中比GraphCast表现更好,例如,将10天提前期全球z500预测的均方根误差(RMSE)从733降至651 $m^{2}/s^2$。此外,每个迭代的推理成本仅为600ms,在NVIDIA Tesla A100硬件上。这些结果表明,丰五可以显着提高预测技能,并将技能全球中期天气预报延长至10.75天(具有z500 > 0.6的ACC)。

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