HiRO-ACEv2：Ai2 的 3 公里气候模拟器将极端天气模拟成本降低约 300 倍

摘要

HiRO-ACEv2 是 Ai2 高分辨率输出 Ai2 气候模拟器（HiRO-ACE）系统的最新更新，其新的降尺度模型 HiROv2 能够重现极其罕见的降雨、风和气压事件，同时以约为 X-SHiELD 1/300 的成本生成全球 3 公里气候数据。X-SHiELD 是一种高分辨率全球大气模型，可显式模拟风暴和其他小尺度天气。此次更新意义重大，因为它使得生成 10 年或更长时间内多种高分辨率极端天气数据变得切实可行，而无需支付运行显式高分辨率模拟的全部成本。

HiRO-ACEv2 是什么以及有何变化

HiRO-ACEv2 是 Ai2 高分辨率输出 Ai2 气候模拟器（HiRO-ACE）系统的最新更新。HiRO-ACE 于 2026 年早些时候推出，包含两个部分：ACE，一个以较粗的 100 公里分辨率运行的 AI 模型，以及 HiRO，一个将粗粒度输出锐化为精细 3 公里细节的模型。

HiRO-ACEv2 最大的变化是新的降尺度模型 HiROv2。HiROv2 与其前身有两方面不同：它可以同时预测多个高分辨率场，而不仅仅是降雨，从而能够捕捉更广泛的极端天气；并且它在预测极端事件方面具有更高的技能。

Ai2 表示，HiRO-ACEv2 的主要重点是很好地模拟极端事件，而 HiROv2 训练方式的变化提高了其重现最强烈降雨、风和气压值的能力。

极端事件的准确性

当给定粗化的 X-SHiELD 数据时，HiROv2 将目标模拟的高分辨率统计数据匹配到 3% 以内，即使对于在百万个数据点中仅出现一次的罕见事件也是如此。这是新降尺度模型的主要准确性声明。

HiROv2 的其他已报告能力：

它能准确估计热带气旋的总能量，包括训练期间从未见过的风暴。
它能生成具有逼真风眼和雨带的风暴，尽管风眼周围的风和气压在某种程度上仍比 X-SHiELD 更不对称。
它能逼真地生成沿山坡下吹的强风。

更新的 ACE 模型

Ai2 还为该系统训练了一个更新版本的 ACE。在 10 年模拟中，其飓风、平均气候模式以及雨、风和气压的总体分布都与 X-SHiELD 高度一致。Ai2 将其描述为 ACE 的粗粒度模拟是生成长期高分辨率气候数据的坚实基础的证据。

全年和 10 年运行的端到端结果

将 HiROv2 和 ACE 结合在一起，Ai2 生成了整整一年的全球 3 公里数据。其统计数据与 X-SHiELD 非常接近，即使 HiRO 是基于 ACE 自行运行的模拟，而不是真实的 X-SHiELD 数据。

在 10 年运行中，HiRO-ACEv2 的飓风能量与同期 X-SHiELD 相当，并且该运行的快照显示了多种其他极端事件，与 X-SHiELD 中的相似。

成本和速度

使用 HiRO-ACEv2 生成全球高分辨率数据的成本约为运行 X-SHiELD 的 1/300。如果只需要一个区域，根据区域大小，节省的成本可能还要高出 100 倍以上。

Ai2 还表示，他们正在开发 HiROv2 的简化版本，可能使其速度再提高 10 倍以上。

当前局限

HiRO 从 X-SHiELD 学习，因此它只能与调整为匹配 X-SHiELD 的 ACE 版本配合使用。因此，它目前无法为其他气候生成高分辨率数据，例如更温暖的未来或 ERA5 等数据集中的历史记录。

计划的未来工作

Ai2 计划在新的 X-SHiELD 数据集上训练，包括一个模拟全球变暖 4°C 的世界的数据集，以便系统能够处理不同的气候。它还计划增加近地表温度以及雪和冰等输出，这将支持包括积雪预测在内的额外应用。

如何访问和检查输出

Ai2 构建了一个网络演示，并排显示 HiROv1 和 HiROv2 预先生成的降水、风和海平面气压输出，以及它们训练所依据的模拟 X-SHiELD。该演示无需推理即可运行，补充了技术报告中的定量比较：它提供了输出外观的快速视觉检查，并允许用户放大自己感兴趣的区域以判断表现。

对于更深入的分析，这些模型可供下载，Ai2 的教程笔记本逐步演示了如何运行它们。该发布提供了 Hugging Face 上的模型、arXiv 上的论文、教程笔记本和演示网站的链接。

为何重要

HiRO-ACEv2 为研究人员提供了一种灵活且廉价的方式，可以生成 10 年或更长时间内极端事件的高分辨率雨、风和气压数据的多种版本。3 公里输出分辨率、相对于 X-SHiELD 全球数据约 300 倍的成本降低，以及在百万分之一事件上展示的技能，这些都使得该系统对于长期极端天气分析而非仅用于短期演示运行非常有用。