Aurora 1.5：扩展开放基础模型用于天气与地球系统应用
Aurora 1.5: Extending open foundation models for weather and Earth-system applications
微软发布Aurora 1.5，这是其地球系统基础模型的扩展，新增22个天气变量（涵盖地表、气压层、风、温度、湿度、降水和辐射），提供小时级时间分辨率和概率集合预报。模型已在GitHub开源，检查点托管于Hugging Face。集合预报通过多阶段微调实现，在88.9%的评估目标上优于ECMWF动力集合，对2024-2025年热带气旋的路径误差降低约三分之一。该模型由微软天气团队基于微软研究院AI for Science的原始模型开发，并连接至Microsoft Foundry和Planetary Computer Pro。Terradot和英国气象局等机构正在探索其应用。
概览
Aurora 1.5 是微软 Aurora 地球系统基础模型的重大扩展，新增了 22 个与能源、农业、交通和气候风险相关的天气变量，并提供了小时级时间分辨率和概率集合预报。该模型已在 GitHub 上以开源形式发布，模型检查点（checkpoints）托管于 Hugging Face，使研究人员和开发者能够使用、评估并在此基础上进行构建。Aurora 1.5 将开放研究与微软天气服务相连接，将模型与数据、基础设施、托管访问以及天气和地球系统应用的实际运营使用结合起来。
Aurora 1.5 是对开放的 Aurora 地球系统基础模型的重大更新，新增了 22 个天气变量，以更全面地呈现大气状况，并提供小时级预报和概率集合预报。该模型由微软天气团队开发，是微软研究院 AI for Science 原始模型的扩展，展示了前沿研究如何走向更广泛的应用：面向研究人员和开发者开放，供其评估和扩展，同时设计用于支持需要额外数据、基础设施和运营保障的客户。
随着气候和天气相关风险持续影响全球社区、基础设施和经济，地球系统预报的进步有助于提高准备和决策能力。
什么是 Aurora？
Aurora 是微软研究院 AI for Science 开发的地球系统基础模型，于 2024 年首次推出，并于 2025 年发表在《自然》杂志上。它表明，单一模型可以适用于中期天气预报、海浪、大气化学以及新兴的气候应用，包括通过微调实现高分辨率天气预报。其日益广泛的使用强化了开放、协作模型的价值，这种模型更易于调整、评估和应用。
Aurora 的这一新阶段在此基础上，将模型公开提供给全球社区，供其调整、扩展和构建。
Aurora 1.5 有哪些新功能？
Aurora 1.5 推动了更广泛的努力，使开放的天气基础模型对于依赖大气和地球系统智能的组织来说更加实用和可扩展。除了新的变量和更高的时间分辨率外，Aurora 1.5 还增加了用户最常要求的功能之一：集合预报。由于预报对初始条件和模型不确定性很敏感，集合预报通过运行多次模拟来显示可能结果的范围和可能性。Aurora 1.5 在微软研究院的科学基础上，增加了新的产品工程、云基础设施、托管访问和决策支持能力。这些进步共同使 Aurora 1.5 成为面向组织的宝贵企业级天气解决方案。
图 1： Aurora 1.5 集合预报能力示意图，用于预测新的有影响力的参数，如总云量和太阳辐射。图中显示了集合均值和标准差。
广度更新为 Aurora 原有的 4 个变量新增了 22 个变量，包括代表性的地表、气压层、风、温度、湿度、降水和辐射场。这种更广泛的覆盖使模型对依赖综合地球系统信号的行业更具相关性，从能源、农业到交通和韧性规划。
更新至小时级时间分辨率，可为精确的操作指导提供细粒度细节，例如降水开始时间、交易决策或登陆热带气旋。
"Aurora 1.5 是朝着使天气基础模型更加开放、有用和实用迈出的有意义的一步。通过公开发布模型，我们为研究人员、开发者和组织提供了一条更清晰的路径来评估它、调整它，并了解它能在哪些方面提供帮助。微软天气团队的作用是将这一开放研究基础与企业所需的数据、基础设施和应用工作流程连接起来，以便负责任且自信地使用天气智能。" — Sridhar Iyer，微软 AI 公司副总裁
播客系列： AI 测试与评估：来自科学与工业的经验教训 了解微软如何借鉴其他领域的经验，将评估和测试作为 AI 治理的支柱加以推进。 [立即收听]
Aurora 1.5 中的集合预报：在天气不确定性面前做出更自信的决策
Aurora 1.5 的集合版本引入了随机扰动来表示模型不确定性，从而能够生成多个预报成员来估计可能未来的分布范围。对于包括电力系统、交通、农业、极端天气规划和气候风险在内的众多应用，模型分布与最佳估计同样重要。
这种集合能力是通过在原始 Aurora 模型基础上进行多阶段微调而开发的。在扩展变量集并增加小时级时间分辨率后，团队在模型的潜在条件路径中引入了受控扰动，并针对概率预报质量优化了集合。最后，使用 2018 年至 2023 年的 ECMWF 高分辨率分析数据进行的自回归微调，改善了展开行为和稳定性。
图 2： 比较 Aurora 1.5 的概率预报与 ECMWF 集合预报。阴影表示相对概率预报误差，以 ECMWF ENS 为基准：蓝色区域表示 Aurora 1.5 表现更好，红色区域表示表现更差。在高空位势、温度和湿度以及五个地表变量中，Aurora 1.5 在 88.9% 的评估变量和预报时效目标上优于 ECMWF ENS。
Aurora 的集合方法总结了多次模型运行中的不确定性。其概率预报在 88.9% 的评估目标上优于最先进的 ECMWF 动力集合（图 1）。在对 2024-2025 年所有热带气旋的评估中，Aurora 1.5 显著降低了路径误差，其中集合中位数与原始 Aurora 相比，路径误差降低了约三分之一。以破坏性的飓风海伦为例，展示了 Aurora 1.5 的技能如何转化为高影响天气应用。
图 3： Aurora 1.5 对飓风海伦的集合预报，显示了从 2024 年 9 月 24 日 0 时开始的多个可能的风暴路径。概率集合预报覆盖了验证路径，有效捕捉了风暴发展过程中的不确定性。
图 4： 与原始模型相比，Aurora 1.5 在不同预报时效下降低了路径误差。使用集合均值和集合中位数路径进行诊断，其中中位数显示出最大的改进，到第 5 天误差降低了约三分之一。结果仅反映路径位置。
超越天气：Aurora 作为地球系统基础模型
除了中期天气应用之外，Terradot（微软气候创新基金投资组合的一部分）正在与 AI for Good 实验室和微软研究院加速器合作开展 TerraNova 项目，利用 Aurora 衍生的天气表示来估算和优化在真实田间条件下通过增强岩石风化去除二氧化碳的效果。Terradot 联合创始人 Sasankh Munukutla 强调："通过基于 Aurora 进行构建，我们显著加快了研发时间表，并加速了实现十亿吨级碳去除的进程。"
这项工作展示了地球系统基础模型如何在预报之外支持气候缓解和公共利益科学，包括在需要严格评估和负责任部署的场景中。Aurora 也正在与英国气象局等合作伙伴进行探索，研究基础模型如何与现有的基于物理的系统协同工作，以解决从天气到气候时间尺度的问题。目标是实现更快、更灵活的预报，在不取代可信预测背后的科学的前提下支持决策。
"微软的 Aurora 模型是一个令人兴奋且有前途的工具，使英国气象局的科学家能够利用他们的数据和专业知识来帮助解决气候问题并提供新型气候信息。英国气象局和微软的科学家及工程师每天都在合作，将 AI 天气预报的经验教训转化为气候信息领域，共享数据科学和气候科学方面的专业知识。Aurora 是一个很好的平台，可以学习如何将这些工具转化为气候预测应用，以构建未来的 AI 气候模型。" — Doug McNeall，英国气象局哈德莱中心数据驱动气候建模科学负责人
连接开放模型与实际运营
微软将开放研究、产品工程、负责任部署和合作伙伴生态系统连接起来，使模型能够从科学进步走向经过评估的实际运营使用。例如，Aurora 始于微软研究院 AI for Science，现在正由微软天气团队基于其进行实际运营构建，AI for Good 则帮助评估公共利益应用。该平台路径将 Aurora 引入 Microsoft Foundry 和 Planetary Computer Pro，同时结合 Agent 技能和 Azure 服务，将模型与地理空间数据、可扩展基础设施和应用工作流程连接起来。
BKW 提供了一个早期验证点：该公司正在将 Aurora 1.5 与现有的运营微软天气模型一起使用，以支持能源运营，在这些运营中，依赖天气的发电、基础设施规划和环境数据需要整合在一起。
"这次合作展示了如何将先进的 AI 能力和强大的云基础设施应用于最具战略意义的领域之一——能源，而天气在其中扮演着基础性角色。在加速转型的时代，它支持我们运营日益基于可再生能源系统的雄心，这些系统的发电本质上依赖于天气，并使我们能够以更大的信心和精度更好地预测和管理这种可变性。" — Farhat Quiñones Yamshid，BKW AI 与技术负责人
从开放研究到更广泛的影响
Aurora 的开源可用性旨在帮助研究人员、机构、公司和民间社会评估、应用和扩展该模型。微软天气团队正在这一开放基础上进行构建，通过托管服务、集成和负责任部署路径，为依赖天气和地球系统智能的组织提供更便捷的 Aurora 预报访问。
基础模型应补充——而非取代——基于物理的模型和领域专业知识。机遇在于负责任地使用它们，进行仔细评估并保持透明度，并邀请研究人员、机构、公司和公共利益合作伙伴测试 Aurora 及相关微软天气能力在哪些方面可以改善他们自身环境中的预报、规划和气候韧性。
关于微软天气
微软天气是负责 Windows、Bing、Copilot、Edge 和 MSN 天气体验的 AI 预报团队，覆盖 180 个国家超过 10 亿台设备。该团队将 AI 应用于实际天气预报已超过七年，并在全球范围内提供高质量预报方面建立了良好的记录。微软天气曾多次赢得预报竞赛，并在 2022 年至 2024 年连续三年被独立第三方评为全球最准确的全球预报提供商。
基于今天 Aurora 1.5 的发布，该团队计划在未来几个月内扩展这项工作，增加更多针对企业场景定制的 AI 天气模型，这些场景中预报质量、速度、不确定性和运营决策支持最为关键。
如果您有兴趣探索 Aurora 和微软天气解决方案用于商业或组织应用，请通过 AIWeatherClimate@microsoft.com 联系我们。
原文《Aurora 1.5: Extending open foundation models for weather and Earth-system applications》首次发表于 Microsoft Research。