天氣預(yù)報(bào)總“騙人”？AI讓天有可測風(fēng)云

手機(jī)、電腦桌面一角的實(shí)時(shí)天氣情況，我們大概已習(xí)以為常，一次點(diǎn)擊就可獲取此后數(shù)日的天氣情況。天氣預(yù)報(bào)可精確到每個(gè)小時(shí)，陰晴雨雪、風(fēng)向、濕度變化一覽無遺。

如此詳細(xì)的天氣預(yù)報(bào)是怎么給出的呢？

中國天氣網(wǎng)發(fā)布的氣象預(yù)報(bào)，圖源中國天氣網(wǎng)

近日《自然》雜志接連刊發(fā)兩篇天氣預(yù)報(bào)有關(guān)文章，先后介紹了我國華為云盤古氣象模型和清華大學(xué)的NowcastNet模型。這兩個(gè)模型給天氣預(yù)報(bào)帶來怎樣的新契機(jī)？我們有可能實(shí)現(xiàn)“天有可測風(fēng)云”，獲取更精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)嗎？AI、大數(shù)據(jù)、超算又在其中發(fā)揮了什么能量？

7月6日華為云盤古氣象大模型登上《自然》雜志，圖源：《自然》雜志官網(wǎng)

NO.01

天有不測風(fēng)云

天氣影響著人們的日常生活。大約一萬年前，人類進(jìn)入了農(nóng)業(yè)社會(huì)，種子的萌發(fā)和收獲，讓人們驚喜地發(fā)現(xiàn)：不必再跋山涉水，經(jīng)營一片土地便可養(yǎng)活一家?guī)卓?。對“風(fēng)調(diào)雨順”也就產(chǎn)生了更強(qiáng)的期待。

限于當(dāng)時(shí)認(rèn)知水平和生產(chǎn)生活方式，風(fēng)、云、雷電、雪等各種天氣現(xiàn)象被蒙上神秘的面紗。古人人為風(fēng)云變化是上天的旨意，由占卜問天獲得天氣預(yù)報(bào)。三千多年前，商王想要外出狩獵，于是卜問是否會(huì)有大雨，占卜結(jié)果顯示沒有降雨，于是商王一行人高興地出發(fā)，卻在狩獵時(shí)被淋成“落湯雞”。不知道商王有沒有發(fā)出“天有不測風(fēng)云”的感慨。

圖源網(wǎng)絡(luò)

雖然古人沒有精確的天氣預(yù)報(bào)，但智慧地發(fā)現(xiàn)了太陽運(yùn)動(dòng)和自然現(xiàn)象發(fā)生存在的規(guī)律性，創(chuàng)造性地總結(jié)了二十四節(jié)氣和七十二物候以及各種氣象諺語。

比如春季的最后一個(gè)節(jié)氣——谷雨，“榖雨之日萍始生，又五日鳴鳩拂其羽，又五日戴勝降于桑。”谷雨意味著寒潮結(jié)束，降水量增多，提醒人們要播種了。田里的秧苗和作物剛剛種下，最是需要雨水的滋潤，古人認(rèn)為這一時(shí)期“雨生百谷”，故稱“谷雨”。

谷雨時(shí)節(jié)全國春播地圖，圖源：中國天氣

NO.02

天降神器助力

顯然，節(jié)氣、物候這類精度不高的經(jīng)驗(yàn)式天氣預(yù)報(bào)無法滿足人們的生活、生產(chǎn)要求。那么，真正的現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)是如何登上歷史舞臺的呢？

1854年11月，克里米亞戰(zhàn)爭期間，英法聯(lián)軍正準(zhǔn)備在黑海與俄軍決戰(zhàn)，可還未開戰(zhàn)，一場強(qiáng)風(fēng)暴的襲擊就讓聯(lián)軍損失慘重。

隨后，巴黎天文臺臺長勒維耶研究了此次風(fēng)暴，在收集了大量氣象數(shù)據(jù)后，他繪制了當(dāng)時(shí)的天氣圖，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴的移動(dòng)有一定規(guī)律。若提前注意到這一現(xiàn)象，此次的失敗是可以避免的。于是勒維耶建議組建氣象觀測網(wǎng)，匯集觀測資料，分析制作天氣圖。1856年，法國組建了世界上第一個(gè)正規(guī)的天氣預(yù)報(bào)信息服務(wù)系統(tǒng)。

風(fēng)暴襲擊海上船只，圖源網(wǎng)絡(luò)

從此，人類進(jìn)入了天氣圖時(shí)代?，F(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)就始于這一張張?zhí)鞖鈭D，將同一時(shí)間各地氣象情況繪制在一張圖上，預(yù)報(bào)員們再對天氣發(fā)展變化過程加以分析、描述，對未來天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)。

天氣圖預(yù)報(bào)法是氣象臺預(yù)報(bào)天氣的常用方法，并沿用至今。這些天氣圖為天氣規(guī)律的發(fā)現(xiàn)提供了大量數(shù)據(jù)，使得利用物理方程和數(shù)學(xué)計(jì)算天氣現(xiàn)象和過程成為一種可能。

法國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、巴黎天文臺臺長勒維耶，圖源網(wǎng)絡(luò)

不過，繪制天氣圖做出天氣預(yù)報(bào)的方法極大程度受預(yù)報(bào)員主觀影響，頻頻出錯(cuò)。怎么做出更理性的天氣預(yù)報(bào)呢？

科學(xué)家們認(rèn)為手握數(shù)學(xué)和物理兩把利刃，一切都是可以計(jì)算的。

可是該如何計(jì)算呢？這個(gè)問題難倒了很多人，直到一對父子——威廉·皮耶克尼斯和雅各布·皮耶克尼斯的閃亮登場，他們將熱力學(xué)和流體力學(xué)的方式引入氣象學(xué)的研究中，提出用復(fù)雜的微分方程式描述天氣的變化。

威廉·皮葉克尼斯（Vilhelm Bjerknes，1862-1951）的畫像。圖源網(wǎng)絡(luò)

可是微分方程很難解，等解完方程好幾天都過去了。限于算力有限，天氣預(yù)報(bào)就像買過期的報(bào)紙一樣，沒有實(shí)用性。

后來，英國人路易斯·理查森提出了一個(gè)大膽的假設(shè)，建立“天氣預(yù)報(bào)工廠”。這個(gè)工廠建在一個(gè)圓形建筑中，每個(gè)座位依照地球經(jīng)緯度分布，每個(gè)人負(fù)責(zé)計(jì)算自己所在經(jīng)緯度的微分方程，最終將各自的計(jì)算結(jié)果發(fā)給中心的人匯總，得出全球各地的天氣預(yù)報(bào)。但這個(gè)夢幻的設(shè)計(jì)顯然無法實(shí)施，因?yàn)橄胍崆敖o出預(yù)報(bào)結(jié)果，至少需要64000個(gè)計(jì)算員才行。

理查森的“天氣預(yù)報(bào)工場”設(shè)想（1922），圖源網(wǎng)絡(luò)

“天氣預(yù)報(bào)工廠”的概念看起來有沒有些眼熟？是不很像計(jì)算機(jī)的概念？

一戰(zhàn)中用以計(jì)算彈道的ENIAC被氣象學(xué)家們盯上了，在不斷簡化算法，再將一系列描述大氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)物理方程轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語言后，1950年，查尼、菲爾托夫、馮·諾依曼用 ENIAC 來完成了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的可行性實(shí)驗(yàn)，他們用這臺計(jì)算機(jī)花費(fèi)了約24小時(shí)便完成了提前24小時(shí)的天氣預(yù)報(bào)計(jì)算。1954年，英國BBC電臺向全世界廣播了這一次數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，天氣預(yù)報(bào)真正走進(jìn)了一個(gè)科技預(yù)報(bào)的時(shí)代。

馮·諾依曼與第一臺電子計(jì)算機(jī)ENIAC，圖源中國氣象科普網(wǎng)

NO.03

AI預(yù)報(bào)時(shí)代來了嗎

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的本質(zhì)是解一個(gè)個(gè)復(fù)雜的微分方程，這個(gè)方法對初始條件的依賴性很高。而大氣處于實(shí)時(shí)變化中，一個(gè)微小的變化就可能引起整個(gè)系統(tǒng)長期的巨大連鎖反應(yīng)，這就是我們所熟知的“蝴蝶效應(yīng)”。

即便是再復(fù)雜的物理模型也很難完全模擬出大氣運(yùn)動(dòng)的全貌，而大氣細(xì)節(jié)運(yùn)動(dòng)也難以捕捉，極端的天氣和氣候事件的模擬因此成為世界難題。

混沌系統(tǒng)的經(jīng)典圖形似蝴蝶，圖源網(wǎng)絡(luò)

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是現(xiàn)代氣象事業(yè)發(fā)展最核心的技術(shù)，堪稱氣象領(lǐng)域的“芯片”和“國之重器”，我國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究開始于1954年，是國際上較早開展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的國家之一。

早期以國外引進(jìn)為主，后來自主研發(fā)掌握核心科技，2020年12月自主研發(fā)的中國第一代全球大氣/陸面再分析系統(tǒng)及產(chǎn)品投入業(yè)務(wù)化應(yīng)用，具備了再分析產(chǎn)品的自主生產(chǎn)能力，氣象業(yè)務(wù)對國外數(shù)據(jù)產(chǎn)品的依賴大大降低。再到如今，發(fā)展以地球系統(tǒng)模式為目標(biāo)的下一代模式，我國數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)從“零”到“一”再到“卓越”的跨越式發(fā)展。

我國自主知識產(chǎn)權(quán)地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置——寰（EarthLab）

最近，華為云團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)在《自然》雜志上先后發(fā)表了云盤古氣象模型和NowcastNet模型兩篇文章。這跟傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)有什么不同呢？

這兩種模型都是利用AI的大模型預(yù)測天氣。但兩個(gè)模型用途不同，前者是一種能夠提前一周預(yù)測全球天氣模式，后者則針對極端降水事件等天氣進(jìn)行短期天氣預(yù)測。

AI加入天氣預(yù)報(bào)的賽道，帶來全新可能。AI擅長處理重復(fù)任務(wù)，擬合未知數(shù)據(jù)關(guān)系。通過深度學(xué)習(xí)了解各種氣象數(shù)據(jù)中的關(guān)系，預(yù)測精度和預(yù)測速度上都展現(xiàn)出比傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)的優(yōu)越性。

首先說說華為的盤古氣象大模型。AI算法改進(jìn)，使得盤古氣象的預(yù)測準(zhǔn)確率可以與全球最佳數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)——?dú)W洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)相媲美。不僅可以處理更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)，盤古氣象能夠處理三維氣象數(shù)據(jù)，捕捉不同壓力層大氣狀態(tài)之間的關(guān)系。而且更加快速，在相同的空間分辨率下，盤古氣象比數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)快10000多倍。

華為開發(fā)者大會(huì)發(fā)布了盤古系列超大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型，來自網(wǎng)絡(luò)

NowcastNet模型是清華大學(xué)與國家氣象中心、國家氣象信息中心聯(lián)合三年攻關(guān)完成的極端降水臨近預(yù)報(bào)大模型，公里尺度下0～3小時(shí)極端降水都能預(yù)報(bào)。

今年5月27日世界氣象組織峰會(huì)上，三小時(shí)內(nèi)降水臨近預(yù)報(bào)就被列為了未解決的重要科學(xué)難題之一。由于極端降水過程持續(xù)時(shí)間短、空間范圍小，原先數(shù)值計(jì)算方法的預(yù)報(bào)時(shí)效只有1小時(shí)之內(nèi)。

試想一下，從提前1小時(shí)延長到提前3小時(shí)知道即將有一場暴雨傾盆，前一種情況我們只能就近找個(gè)地方躲著，而現(xiàn)在則可以更從容地回到家中，前后的應(yīng)對策略發(fā)生顯著變化。對于一些實(shí)際生產(chǎn)生活場景，這種預(yù)報(bào)還將有更亮眼的減災(zāi)表現(xiàn)，無疑是一個(gè)巨大的飛躍。

基于雷達(dá)觀測的降水臨近預(yù)報(bào)，來自網(wǎng)絡(luò)

那么AI天氣預(yù)報(bào)是不是要代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)值預(yù)報(bào)了？天氣預(yù)報(bào)員是不是要失業(yè)了？

這倒不用擔(dān)心，研究者們表示，把AI廣泛應(yīng)用到氣象領(lǐng)域，其機(jī)理與數(shù)據(jù)的融合計(jì)算非常具有挑戰(zhàn)性，還需要一段很長的路。目前來看人工智能不會(huì)在這個(gè)領(lǐng)域取代人類，DeepMind的研究科學(xué)家Suman Ravuri表示，天氣預(yù)測需要專家和人類參與其中，以確保在預(yù)測方面的理解是合理的，然后將其傳達(dá)給公眾。

從占卜到經(jīng)驗(yàn)判斷，從天氣圖到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，再到AI的加入，這是無數(shù)研究者篳路藍(lán)縷、殫精竭慮，共同推動(dòng)得到的“天有可測風(fēng)云”。

END

作者：南京信息工程大學(xué) 法政學(xué)院 科技史與氣象文明研究院

李蓓蓓副教授

龔昕宇碩士研究生

責(zé)編：咕嚕