HiRO-ACEv2 以约 1/300 成本模拟 3 km 分辨率极端天气

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我们介绍了 HiRO-ACEv2，这是我们高分辨率输出 Ai2 气候模拟器（HiRO-ACE）系统的最新更新。HiROv2 能够高精度地重现即使是极其罕见的降雨、风和气压事件，而整个系统可以以约为 X-SHiELD（一种显式模拟风暴和其他小尺度天气的高分辨率全球大气模型）1/300 的成本生成全球 3 公里气候数据。

HiRO-ACE 于 2026 年初推出，由两部分组成：ACE，一个在较粗的 100 公里分辨率下运行的 AI 模型；以及 HiRO，一个将这些粗略输出细化为 3 公里精细细节的模型。HiRO-ACEv2 中最大的变化是新的降尺度模型 HiROv2，它现在可以 1) 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 2) 在预测极端事件方面具有更高的技能。

我们在 HiRO-ACEv2 中的主要重点是很好地模拟极端事件。对 HiROv2 训练方式的改进提高了其重现最强烈降雨、风和气压值的能力。当给定粗化的 X-SHiELD 数据时，它可以将目标模拟的高分辨率统计量匹配到 3% 以内，即使对于仅在百万个数据点中发生一次的事件也是如此。它还准确估计了热带气旋的总能量，包括在训练期间从未见过的风暴，并生成了具有逼真眼区和雨带的飓风，尽管眼区周围的风和气压比 X-SHiELD 中的略显不对称。此外，HiROv2 逼真地生成了沿山坡向下流动的强风。

我们还为该系统训练了 ACE 的更新版本。在 10 年的模拟中，其飓风、平均气候模式以及降雨、风和气压的总体分布都与 X-SHiELD 很好地吻合。这表明 ACE 的粗略模拟是生成长期高分辨率气候数据的坚实基础。

将 HiROv2 和 ACE 结合在一起，我们生成了整整一年的全球 3 公里数据。尽管 HiRO 是基于 ACE 自行运行的模拟而非真实的 X-SHiELD 数据工作的，但其统计量与 X-SHiELD 的非常接近。在 10 年的运行中，HiRO-ACEv2 飓风的能量与同一时期 X-SHiELD 的相当，并且该运行中的快照显示了各种类似于 X-SHiELD 中其他极端事件。

在 10 年 HiRO-ACEv2 模拟期间生成的北大西洋强飓风示例。

总体而言，HiRO-ACEv2 为研究人员提供了一种灵活且低成本的方法，用于生成 10 年或更长时间极端事件的高分辨率降雨、风和压力数据的多个版本。使用它生成全球高分辨率数据的成本大约比运行 X-SHiELD 低 300 倍。如果只需要一个区域，节省的成本可能超过一百倍，具体取决于区域的大小。我们还在开发 HiROv2 的精简版本，这可能会使其速度再快十倍以上。

我们仍有未来的工作要做：由于 HiRO 是从 X-SHiELD 学习的，它目前仅适用于针对 X-SHiELD 调优的 ACE 版本。这意味着它尚无法为其他气候（如更温暖的未来或 ERA5 等数据集中的历史记录）生成高分辨率数据。接下来，我们计划在新的 X-SHiELD 数据集上进行训练，包括一个模拟全球变暖 4°C 的数据集，以便系统能够处理不同的气候。我们还计划增加近地表温度以及冰雪等输出，这将允许更多用途，例如积雪预测。

可视化和使用 HiRO 输出

ACE 数据可视化器中下加利福尼亚的模拟 10 米风速：主图为 100 公里分辨率的 ACE2，插图显示 3 公里分辨率的 HiRO-ACEv2。

ACE 数据可视化器中东北太平洋的模拟风暴。主图显示 100 公里分辨率的 10 米风速；3 公里分辨率的 HiRO-ACEv2 插图显示了风暴内部更精细的结构。

为了便于在不运行任何推理的情况下查看 HiRO 生成的内容，我们构建了一个 网络演示，并排展示了 HiROv1 和 HiROv2 的预生成降水、风速和海平面气压输出，以及它们所基于的训练模拟 X-SHiELD。该演示补充了我们技术报告中的定量比较：它提供了对输出外观的快速视觉检查，并允许用户放大其感兴趣的区域以评估该处的性能。

为了进行更深入的分析，模型可供 下载，我们的 教程笔记本 详细说明了如何运行它们。