李蓓蓓、龔昕宇
手機、電腦桌面一角的實時天氣情況,我們大概已習(xí)以為常,一次點擊就可獲取此后數(shù)日的天氣情況。天氣預(yù)報可精確到每個小時,陰晴雨雪、風(fēng)向、濕度變化一覽無遺。
(資料圖)
如此詳細(xì)的天氣預(yù)報是怎么給出的呢?
中國天氣網(wǎng)發(fā)布的氣象預(yù)報,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。這兩個模型給天氣預(yù)報帶來怎樣的新契機?我們有可能實現(xiàn)“天有可測風(fēng)云”,獲取更精準(zhǔn)的天氣預(yù)報嗎?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,人類進入了農(nóng)業(yè)社會,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)生了更強的期待。
限于當(dāng)時認(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。三千多年前,商王想要外出狩獵,于是卜問是否會有大雨,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,但智慧地發(fā)現(xiàn)了太陽運動和自然現(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?!惫扔暌馕吨苯Y(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)為這一時期“雨生百谷”,故稱“谷雨”。
谷雨時節(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)驗式天氣預(yù)報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)時的天氣圖,發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴的移動有一定規(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正規(guī)的天氣預(yù)報信息服務(wù)系統(tǒng)。
風(fēng)暴襲擊海上船只,圖源網(wǎng)絡(luò)
從此,人類進入了天氣圖時代?,F(xiàn)代天氣預(yù)報就始于這一張張?zhí)鞖鈭D,將同一時間各地氣象情況繪制在一張圖上,預(yù)報員們再對天氣發(fā)展變化過程加以分析、描述,對未來天氣進行預(yù)報。
天氣圖預(yù)報法是氣象臺預(yù)報天氣的常用方法,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)報的方法極大程度受預(yù)報員主觀影響,頻頻出錯。怎么做出更理性的天氣預(yù)報呢?
科學(xué)家們認(rèn)為手握數(shù)學(xué)和物理兩把利刃,一切都是可以計算的。
可是該如何計算呢?這個問題難倒了很多人,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)報就像買過期的報紙一樣,沒有實用性。
后來,英國人路易斯·理查森提出了一個大膽的假設(shè),建立“天氣預(yù)報工廠”。這個工廠建在一個圓形建筑中,每個座位依照地球經(jīng)緯度分布,每個人負(fù)責(zé)計算自己所在經(jīng)緯度的微分方程,最終將各自的計算結(jié)果發(fā)給中心的人匯總,得出全球各地的天氣預(yù)報。但這個夢幻的設(shè)計顯然無法實施,因為想要提前給出預(yù)報結(jié)果,至少需要64000個計算員才行。
理查森的“天氣預(yù)報工場”設(shè)想(1922),圖源網(wǎng)絡(luò)
“天氣預(yù)報工廠”的概念看起來有沒有些眼熟?是不很像計算機的概念?
一戰(zhàn)中用以計算彈道的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動的數(shù)學(xué)物理方程轉(zhuǎn)換成計算機語言后,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)報的可行性實驗,他們用這臺計算機花費了約24小時便完成了提前24小時的天氣預(yù)報計算。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,天氣預(yù)報真正走進了一個科技預(yù)報的時代。
馮·諾依曼與第一臺電子計算機ENIAC,圖源中國氣象科普網(wǎng)
NO.03
AI預(yù)報時代來了嗎
數(shù)值天氣預(yù)報的本質(zhì)是解一個個復(fù)雜的微分方程,這個方法對初始條件的依賴性很高。而大氣處于實時變化中,一個微小的變化就可能引起整個系統(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動的全貌,而大氣細(xì)節(jié)運動也難以捕捉,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)報研究開始于1954年,是國際上較早開展數(shù)值天氣預(yù)報的國家之一。
早期以國外引進為主,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)報業(yè)務(wù)實現(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,華為云團隊和清華大學(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行短期天氣預(yù)測。
AI加入天氣預(yù)報的賽道,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)報的優(yōu)越性。
首先說說華為的盤古氣象大模型。AI算法改進,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)報系統(tǒng)——歐洲中期天氣預(yù)報中心的綜合預(yù)報系統(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)報系統(tǒng)快10000多倍。
華為開發(fā)者大會發(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)報大模型,公里尺度下0~3小時極端降水都能預(yù)報。
今年5月27日世界氣象組織峰會上,三小時內(nèi)降水臨近預(yù)報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)時間短、空間范圍小,原先數(shù)值計算方法的預(yù)報時效只有1小時之內(nèi)。
試想一下,從提前1小時延長到提前3小時知道即將有一場暴雨傾盆,前一種情況我們只能就近找個地方躲著,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。對于一些實際生產(chǎn)生活場景,這種預(yù)報還將有更亮眼的減災(zāi)表現(xiàn),無疑是一個巨大的飛躍。
基于雷達觀測的降水臨近預(yù)報,來自網(wǎng)絡(luò)
那么AI天氣預(yù)報是不是要代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)值預(yù)報了?天氣預(yù)報員是不是要失業(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,其機理與數(shù)據(jù)的融合計算非常具有挑戰(zhàn)性,還需要一段很長的路。目前來看人工智能不會在這個領(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,然后將其傳達給公眾。
從占卜到經(jīng)驗判斷,從天氣圖到數(shù)值天氣預(yù)報,再到AI的加入,這是無數(shù)研究者篳路藍縷、殫精竭慮,共同推動得到的“天有可測風(fēng)云”。
作者系南京信息工程大學(xué)法政學(xué)院科技史與氣象文明研究院副教授、碩士研究生