■ 賈朋群 李攀 鄧京勉

（作者單位：中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院）

2 0 2 0 年初，美國(guó)氣象學(xué)會(huì)（AMS）隆重召開(kāi)了慶祝成立100年年會(huì)。會(huì)議除了常規(guī)年會(huì)內(nèi)容以外，美國(guó)及國(guó)際上很多氣象機(jī)構(gòu)，都充分利用AMS搭建的“百年一遇”平臺(tái)，展示21世紀(jì)初期20年過(guò)后氣象科技發(fā)展的態(tài)勢(shì)。AMS百年年會(huì)呈現(xiàn)很多值得記憶的特征。持續(xù)了一周的年會(huì)包括52個(gè)主題學(xué)術(shù)會(huì)和更多的交叉會(huì)議、邊會(huì)、培訓(xùn)和展覽等活動(dòng)，給人留下深刻印象。

首先，會(huì)議交流科學(xué)報(bào)告的題目中，盛行“status，update，vision（現(xiàn)狀、更新、展望）”等關(guān)鍵詞。很多與會(huì)學(xué)者都希望借助這次里程碑式的會(huì)議，將自己、團(tuán)隊(duì)、所在機(jī)構(gòu)或組織等的研究和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)等方面的成果、進(jìn)步，在會(huì)議上給出一個(gè)全面的總結(jié)，并借機(jī)討論本領(lǐng)域未來(lái)10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)、可能路線和預(yù)期成果及帶來(lái)的能力提升。再有，會(huì)議的組織更加溫馨。會(huì)議安排了3場(chǎng)以學(xué)者“Robert Dickinson、Wayne Schubert和Susan Solomon”命名的學(xué)術(shù)交流會(huì)。最令全球華人氣象學(xué)者感到溫暖的，是會(huì)議為了紀(jì)念會(huì)前剛剛逝去的美國(guó)華人科學(xué)家張福清，在相關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議上，標(biāo)出了紀(jì)念逝者做出特殊貢獻(xiàn)的主題。最后，學(xué)術(shù)交叉成為常態(tài)。會(huì)議組織者為了讓不同領(lǐng)域的學(xué)者針對(duì)復(fù)雜的跨學(xué)科問(wèn)題能在會(huì)議上“不期而遇”，在會(huì)議的主題和屆次延續(xù)的情況下，通過(guò)細(xì)化設(shè)計(jì)每個(gè)會(huì)議的分節(jié)主題、更多的聯(lián)合會(huì)議和討論主題，讓帶著成果和問(wèn)題來(lái)的學(xué)者，都能通過(guò)閱讀會(huì)議材料，找到自己的“歸宿”。尤其是，很多會(huì)議分節(jié)的提示語(yǔ)，展示了主辦方和主持人、聯(lián)絡(luò)人的集體智慧，率先讓會(huì)議生輝，也在一定程度上改變了學(xué)會(huì)會(huì)議的不同階段，只是更換主持人的傳統(tǒng)印象。

2020年是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局（NOAA）成立50年和美國(guó)國(guó)家氣象局（NWS）成立150年。年會(huì)上不僅來(lái)自NOAA和NWS的學(xué)者非?；钴S，而且圍繞氣象業(yè)務(wù)的重要改進(jìn)方向之一——研究型業(yè)務(wù)，也呈現(xiàn)了一些新探索和思路。本文基于會(huì)議上下相關(guān)信息，概要介紹其中或許具有引領(lǐng)性的理念和實(shí)踐。

解讀1 CCPP打通研究和業(yè)務(wù)模式編碼的圍墻

圖1 CCPP的概念框架

NCAR與NOAA是預(yù)報(bào)模式研發(fā)的重要部門，但多年來(lái)兩個(gè)機(jī)構(gòu)的模式獨(dú)立發(fā)展，彼此模式編碼各成體系。為了促進(jìn)創(chuàng)新型研究業(yè)務(wù)化，全球模式測(cè)試平臺(tái)（GMTB）協(xié)同NOAA和NCAR整合了物理參數(shù)和軟件框架——通用社區(qū)物理包（Common Community Physics Package, CCPP，圖1）。2019年，NOAA和NCAR達(dá)成協(xié)議備忘錄，將合作開(kāi)發(fā)CCPP框架，促進(jìn)模式和物理參數(shù)的互通性，作為兩家統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)（UFS）和大氣集成模式系統(tǒng)（SIMA）的一部分。NCAR主要在SIMA系統(tǒng)中參與CCPP框架的開(kāi)發(fā)工作，包括加強(qiáng)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、使物理組變量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配、對(duì)比元數(shù)據(jù)和實(shí)際Fortran編碼，以及改善系統(tǒng)建設(shè)與代碼生成器。這使得CCPP成為美國(guó)幾個(gè)王牌模式的核心，以一種獨(dú)立、標(biāo)準(zhǔn)化的方式將物理參數(shù)與大氣模式（以及其他地球系統(tǒng)的組成部分）相結(jié)合，同時(shí)還降低了CCPP框架的研發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。

對(duì)于NWS的預(yù)報(bào)系統(tǒng)UFS來(lái)說(shuō)，CCPP的出現(xiàn)是一次重大的轉(zhuǎn)折。目前，CCPP的技術(shù)設(shè)計(jì)以及物理參數(shù)要求、CCPP與主模式的結(jié)合方式等都有了明確的規(guī)則。美國(guó)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)以外的模式系統(tǒng)或構(gòu)建單元，可以通過(guò)CCPP轉(zhuǎn)化為UFS的命令式代碼，供NWS使用。

CCPP在引領(lǐng)NOAA與學(xué)界NWP模式的互通。AMS年會(huì)來(lái)自NCAR強(qiáng)調(diào)業(yè)務(wù)創(chuàng)新互操作性的CCPP平臺(tái)的一個(gè)可期結(jié)果是，NCEP的預(yù)報(bào)系統(tǒng)因?yàn)榻裉斓腃CPP，其未來(lái)某個(gè)升級(jí)版將會(huì)是與NCAR、高校眾多模式中最優(yōu)部分的合成版本。這一跡象實(shí)際上早在FV3引領(lǐng)的業(yè)務(wù)模式系統(tǒng)升級(jí)時(shí)就已顯現(xiàn)，而CCPP讓這個(gè)統(tǒng)一模式互操作接口的思想落地。

解讀2 張量處理芯片TPC助力

近年來(lái)掀起的A I 和大數(shù)據(jù)理念，在天氣預(yù)報(bào)方面提出了利用大數(shù)據(jù)而拋棄動(dòng)力學(xué)的預(yù)報(bào)理念。然而，谷歌公司并沒(méi)有跟風(fēng)，而是將新技術(shù)與經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)原理結(jié)合起來(lái)。谷歌研究結(jié)構(gòu)的學(xué)者，用公司為印度研發(fā)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)闡述了谷歌的“大數(shù)據(jù)+動(dòng)力”的預(yù)報(bào)理念。

演講人詳盡分析了谷歌發(fā)起的洪水預(yù)報(bào)項(xiàng)目（印度），開(kāi)發(fā)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程，明確在不同過(guò)程中谷歌的優(yōu)勢(shì)所在：例如，從水文模式到直接預(yù)報(bào)洪水的水力模式過(guò)度時(shí)，需要對(duì)復(fù)雜地形的快速改變量化，作為重要變量輸入系統(tǒng)中。谷歌可以用預(yù)報(bào)區(qū)域幾乎完美的遙感圖層，給出地形的改變。

實(shí)際上，谷歌代表的企業(yè)創(chuàng)新，不同于其他機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是整個(gè)預(yù)報(bào)體系的全程創(chuàng)新，其中，更加適應(yīng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中AI算法的新的芯片——TPU（Tensor Processing Unit，張量處理單元，圖2）已經(jīng)發(fā)展到第二代，TPU因?yàn)榫哂懈咚倬仃嚦朔▎卧∕×U），可以表示矩陣乘法的細(xì)微不同，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前其他機(jī)構(gòu)所用的，例如我們熟悉的x86 CPU芯片。TPU這類基于機(jī)器學(xué)習(xí)的AI芯片，能夠跳過(guò)傳統(tǒng)模擬計(jì)算的繁瑣，借助完整模擬的輸出輸入，尋找模式并學(xué)習(xí)猜測(cè)新輸入對(duì)模擬產(chǎn)生的影響。

谷歌預(yù)報(bào)系統(tǒng)將控制方程組中代表平流的方程，更多通過(guò)AI技術(shù)模擬；而對(duì)其他熱力和動(dòng)力過(guò)程，仍以傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法為主。這樣的預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用于印度，使得當(dāng)?shù)乇┯觐A(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性從19.7%提升到75%，覆蓋面積也從31.8%上升到94.8%。類似TPU這樣的AI仿真器，借助云技術(shù)，使得預(yù)報(bào)系統(tǒng)的計(jì)算速度得到大幅度的提升，甚至一些媒體報(bào)道稱，提高數(shù)十億倍。盡管或許有些夸張，但從根本上為改變氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)越來(lái)越受到高速計(jì)算系統(tǒng)制約（包括計(jì)算系統(tǒng)能耗）提出了解決路徑。

圖2 TPU和CPU芯片

解讀3 HOTL：自動(dòng)預(yù)報(bào)時(shí)代預(yù)報(bào)員作為“護(hù)欄”管理人的新定位

來(lái)自I B M 旗下天氣公司的Jim Lidrbauch則帶來(lái)了另一個(gè)平臺(tái)HOTL：瞄準(zhǔn)的是在氣象公司里，圍繞預(yù)報(bào)流程中的預(yù)報(bào)員的作用展開(kāi)。報(bào)告人特意在報(bào)告首頁(yè)提升了HOTL（Human Over The Loop，[預(yù)報(bào)]循環(huán)中人的作用）的念法：發(fā)音和英文單詞“旅館”相近（圖3），似乎是在預(yù)示天氣公司的氣象員工需要下沉到不同的特別應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展業(yè)務(wù)服務(wù)。

所謂HOTL，是介于自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和最終用戶之間的一個(gè)圖形化規(guī)則平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，可以人工輸入與自動(dòng)預(yù)報(bào)不同步的時(shí)空變量的數(shù)值。公司員工用HOTL通過(guò)繪制地理多邊形確定向客戶提供服務(wù)的位置，然后應(yīng)用規(guī)則修改某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)指定的一個(gè)或一組參數(shù)。當(dāng)急需某地定時(shí)要素預(yù)報(bào)時(shí)，可啟動(dòng)HOTL規(guī)則得到比自動(dòng)系統(tǒng)更好的預(yù)報(bào)。該系統(tǒng)最初的目的是進(jìn)行質(zhì)量控制，同時(shí)增加15 d定制預(yù)測(cè)的細(xì)節(jié)信息。目前的HOTL更像是為預(yù)報(bào)產(chǎn)品增加了一個(gè)“護(hù)欄”，能防止自動(dòng)預(yù)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的明顯錯(cuò)誤。

為什么要建立HOTL？主要有三方面原因。首先，盡管模式的預(yù)測(cè)能力不斷提高，但是出現(xiàn)錯(cuò)誤在所難免，模式出現(xiàn)重要天氣錯(cuò)誤預(yù)報(bào)時(shí)，預(yù)報(bào)員們往往要抱怨：“GFS（NCEP的預(yù)報(bào)模式）怎么會(huì)這樣？”此時(shí)，人的干預(yù)作用就變得很重要。第二，對(duì)于最終用戶來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)（其全過(guò)程）的時(shí)空分辨率永遠(yuǎn)不夠高。最后，傳統(tǒng)的預(yù)報(bào)管理應(yīng)該是[從預(yù)報(bào)到?jīng)Q策的]“一個(gè)循環(huán)”，而預(yù)報(bào)員是這個(gè)“循環(huán)”中必不可少的一部分，沒(méi)有他們的干預(yù)是不能發(fā)布預(yù)報(bào)的。而過(guò)度的干預(yù)讓整個(gè)預(yù)報(bào)過(guò)程變慢，而且隨著時(shí)空分辨率的提升，數(shù)據(jù)量和模式種類不斷增加，越來(lái)越多的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)也對(duì)預(yù)報(bào)員如何干預(yù)預(yù)報(bào)提出了更高的要求。這時(shí)，HOTL無(wú)疑是優(yōu)化預(yù)報(bào)員干預(yù)和顯示預(yù)報(bào)員在循環(huán)中的價(jià)值所在的一個(gè)選擇。

那么H O T L又是如何運(yùn)作的呢？預(yù)報(bào)員首先登陸到工作站，在云上連接HOTL服務(wù)器，繼而通過(guò)云獲得其他服務(wù)器的“ 底層”天氣數(shù)據(jù)；接著，預(yù)報(bào)員便可以利用這些數(shù)據(jù)繪制多邊形圖形，并通過(guò)配置屬性來(lái)管理預(yù)測(cè)；將查詢接口指向API，以查看表格和圖形詳細(xì)信息。此外，在平臺(tái)上還可以與來(lái)自不同領(lǐng)域的預(yù)報(bào)員通過(guò)Slack進(jìn)行交流。

自動(dòng)化的預(yù)報(bào)需要“護(hù)欄”式的呵護(hù)，HOTL式的護(hù)欄則即可防止數(shù)值模式“跑偏”，更是在精細(xì)化氣象服務(wù)中發(fā)揮預(yù)報(bào)員智慧的有力支撐。HOTL運(yùn)行反饋和倒逼的對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)“后端”改進(jìn)的研究，與會(huì)上NSF提出的“收斂性研究”有異曲同工之妙，其核心均體現(xiàn)在解決業(yè)務(wù)實(shí)踐中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題上。

在生物工程學(xué)領(lǐng)域，器官芯片已經(jīng)研發(fā)出來(lái)，各種器官芯片耦合成的“芯片人”也浮出水面。AMS年會(huì)展示的借助AI芯片（TPU）的更有效的模擬、借助統(tǒng)一編碼規(guī)則（CCPP）研發(fā)各種物理過(guò)程的“芯片”并方便地耦合成與人體一樣復(fù)雜的地球系統(tǒng)，再借助護(hù)欄式的“糾偏”機(jī)制，已然成為未來(lái)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。這3個(gè)解讀單獨(dú)看是發(fā)展動(dòng)態(tài)，合力貢獻(xiàn)卻可能是未來(lái)氣象預(yù)報(bào)全流程的變革和新方向。這些新年代出現(xiàn)的一些創(chuàng)新思想，釋放出來(lái)的新理念和提示的研究型業(yè)務(wù)的有力抓手，值得我們關(guān)注、學(xué)習(xí)和在實(shí)際工作中思考及選擇性借鑒。