李蓓蓓　龔昕宇

手機(jī)、電腦桌面一角的實(shí)時(shí)天氣情況，我們大概已經(jīng)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。

天有不測(cè)風(fēng)云

天氣影響著人們的日常生活。大約1萬年前，人類進(jìn)入農(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(yíng)一片土地便可養(yǎng)活一家?guī)卓?。因此，人類?duì)風(fēng)調(diào)雨順也就產(chǎn)生了更強(qiáng)的期待。

限于當(dāng)時(shí)的認(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)象被蒙上了神秘的面紗。古人認(rèn)為風(fēng)云變化是上天的旨意，于是通過占卜問天獲得天氣“預(yù)報(bào)”。3000多年前，商王想要外出狩獵，于是卜問是否會(huì)有大雨，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”。不知道彼時(shí)的商王有沒有發(fā)出“天有不測(cè)風(fēng)云”的感慨。

雖然古人沒有精確的天氣預(yù)報(bào)，但他們智慧地發(fā)現(xiàn)了太陽運(yùn)動(dòng)和自然現(xiàn)象間存在的規(guī)律，創(chuàng)造性地總結(jié)了二十四節(jié)氣、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?！薄９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(rùn)，古人認(rèn)為這一時(shí)期“雨生百谷”，故稱“谷雨”。

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)無法滿足今天人們的生活、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(tái)的呢？

1854年11月，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(chǎng)強(qiáng)風(fēng)暴的襲擊就讓聯(lián)軍損失慘重。隨后，時(shí)任巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)奧本·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，類似的失敗是可以避免的。于是勒維耶建議組建氣象觀測(cè)網(wǎng)，匯集觀測(cè)資料，分析制作天氣圖。1856年，法國(guó)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)。

從此，人類進(jìn)入天氣圖時(shí)代?，F(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)就始于這一張張?zhí)鞖鈭D。它將同一時(shí)間各地的氣象情況繪制在一張圖上，然后由預(yù)報(bào)員對(duì)天氣發(fā)展變化過程加以分析、描述，并對(duì)未來天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)。

天氣圖預(yù)報(bào)法是氣象臺(tái)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)方法來計(jì)算天氣現(xiàn)象和過程成為可能。不過，繪制天氣圖、做出天氣預(yù)報(bào)極大程度上受預(yù)報(bào)員主觀影響，頻頻出錯(cuò)。怎樣才能做出更理性的天氣預(yù)報(bào)呢？

科學(xué)家認(rèn)為，手握數(shù)學(xué)和物理兩把利器，一切都是可以計(jì)算的?？墒窃撊绾斡?jì)算呢？這個(gè)問題難倒了很多人，直到一對(duì)父子——威廉·皮耶克尼斯和雅各布·皮耶克尼斯的閃亮登場(chǎng)。他們將熱力學(xué)和流體力學(xué)的方法引入氣象學(xué)的研究中，提出用復(fù)雜的微分方程描述天氣的變化。

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)就像過期的報(bào)紙一樣，還是沒有實(shí)用性。

后來，英國(guó)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)給中心的人進(jìn)行匯總，然后得出全球各地的天氣預(yù)報(bào)。但這個(gè)夢(mèng)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6.4萬個(gè)計(jì)算員才行。

“天氣預(yù)報(bào)工廠”的概念看起來是不是有些眼熟？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（世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)）被氣象學(xué)家盯上，在不斷簡(jiǎn)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 完成了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的可行性實(shí)驗(yàn)，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(guó)BBC電臺(tái)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)了科技預(yù)報(bào)的時(shí)代。

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(duì)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(zhǎng)期、巨大的連鎖反應(yīng)，這就是我們熟知的“蝴蝶效應(yīng)”。

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

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是現(xiàn)代氣象事業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，堪稱氣象領(lǐng)域的“芯片”和“國(guó)之重器”。我國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究始于1954年，是國(guó)際上較早開展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的國(guó)家之一。

早期，我國(guó)以國(guó)外引進(jìn)為主，后來自主研發(fā)、掌握核心科技。2020年12月，我國(guó)自主研發(fā)的第一代全球大氣/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，大大降低了氣象業(yè)務(wù)對(duì)國(guó)外數(shù)據(jù)產(chǎn)品的依賴。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(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了從“0”到“1”再到“卓越”的跨越式發(fā)展。

2023年7月，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（人工智能）大模型預(yù)測(cè)天氣，但兩個(gè)模型用途不同。前者能夠提前一周預(yù)測(cè)全球天氣，后者則針對(duì)極端降水事件等天氣進(jìn)行短期天氣預(yù)測(cè)。AI 加入天氣預(yù)報(bào)的賽道后，帶來全新可能。AI 擅長(zhǎng)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)各種氣象數(shù)據(jù)中的關(guān)系，AI 在預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)速度上都展現(xiàn)出了優(yōu)越性。

首先說華為的盤古氣象模型。AI算法改進(jìn)，使得盤古氣象的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可以與全球最佳的數(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。盤古氣象模型不僅可以處理更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)（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，而且處理速度更快，在相同的空間分辨率下，它比數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)快1萬多倍。

NowcastNet 模型是清華大學(xué)與國(guó)家氣象中心、國(guó)家氣象信息中心聯(lián)合3年攻關(guān)完成的極端降水臨近預(yù)報(bào)大模型，千米尺度下0～3小時(shí)極端降水都能預(yù)報(bào)。

2023年5月27日，在世界氣象組織峰會(huì)上，3小時(shí)內(nèi)降水臨近預(yù)報(bào)被列為未解決的重要科學(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)效只在1小時(shí)之內(nèi)。

試想一下，從提前1小時(shí)發(fā)展到提前3小時(shí)知道即將有一場(chǎng)傾盆暴雨，前一種情況我們只能就近找個(gè)地方躲著，而后者我們可以更從容地回到家中，前后的應(yīng)對(duì)策略發(fā)生顯著變化。對(duì)于一些實(shí)際的生產(chǎn)、生活場(chǎng)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。

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，還有一段很長(zhǎng)的路要走。目前來看，AI 不會(huì)在這個(gè)領(lǐng)域取代人類?？茖W(xué)家表示，天氣預(yù)測(cè)需要專家和人們參與其中，以確保在預(yù)測(cè)方面的理解是合理的，然后將預(yù)測(cè)結(jié)果傳達(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)才得到的天有“可測(cè)”風(fēng)云。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“蝌蚪五線譜”