人工智能時(shí)代，天氣如何預(yù)報(bào)

最近一段時(shí)間，各地頻現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、龍卷風(fēng)、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。強(qiáng)對流天氣歷時(shí)短、氣流劇烈、破壞性強(qiáng)，這些特點(diǎn)使強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)仍是一道世界性的難題。不過，基于人工智能技術(shù)的網(wǎng)格預(yù)報(bào)，有望幫助氣象部門解決這一難題。國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)室主任宗志平、國家氣象中心預(yù)報(bào)系統(tǒng)開放實(shí)驗(yàn)室主任薛峰詳細(xì)解讀我國氣象部門已經(jīng)開始使用的智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)。

1 人們對天氣預(yù)報(bào)的

需求越來越精細(xì)

天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展，經(jīng)歷了從定性預(yù)報(bào)、描述性預(yù)報(bào)向數(shù)字化、網(wǎng)格化預(yù)報(bào)的過程。比如，我國氣象部門原來發(fā)布的城鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)，內(nèi)容只包括2400多個(gè)城鎮(zhèn)的天氣現(xiàn)象、高低溫和風(fēng)速風(fēng)向預(yù)報(bào)，頻次也只是一天三次，預(yù)報(bào)的時(shí)間精度和空間精度不夠高。

2012年，國家氣象中心推出了一個(gè)新的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，即大城市精細(xì)化預(yù)報(bào)，該產(chǎn)品把全國省會(huì)城市、計(jì)劃單列市24小時(shí)內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行細(xì)化，每6小時(shí)開展一次預(yù)報(bào)，降水量可以預(yù)報(bào)到毫米。但即便這樣也不夠精細(xì)，不能滿足各行業(yè)及公眾的需求。

于是，“網(wǎng)格預(yù)報(bào)”這一概念被引進(jìn)到我國的精細(xì)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中。如何理解它呢？可以這樣比喻，就像地球上的經(jīng)緯網(wǎng)一樣，我們可以把中國以及每個(gè)城市所在的區(qū)域分解成許多個(gè)5公里×5公里甚至1公里×1公里的網(wǎng)格，而公眾就是生活在這樣的一個(gè)個(gè)網(wǎng)格中，每個(gè)網(wǎng)格中的天氣情況也會(huì)有所差異。

與原來的定點(diǎn)預(yù)報(bào)相比，網(wǎng)格化預(yù)報(bào)在空間上更加精細(xì)，也更具針對性。就拿北京市的預(yù)報(bào)來說，原來的預(yù)報(bào)只是以南郊觀象臺(tái)這一個(gè)點(diǎn)的氣溫、降水等來代表整個(gè)城市的天氣情況，但通過開展網(wǎng)格化預(yù)報(bào)，北京市的天氣不再由一個(gè)定點(diǎn)來反映，針對北京的氣象服務(wù)和天氣預(yù)報(bào)可以精細(xì)地反映在整座城市每個(gè)不同的網(wǎng)格之中。

網(wǎng)格化預(yù)報(bào)的精細(xì)程度不僅體現(xiàn)在空間上，還反映在可以每天以更高頻次更新和發(fā)布上。原來一天的天氣預(yù)報(bào)只會(huì)涉及一種天氣現(xiàn)象，現(xiàn)在網(wǎng)格化預(yù)報(bào)可以做到全國范圍內(nèi)逐3小時(shí)預(yù)報(bào)。隨時(shí)隨地，公眾都能了解到自己當(dāng)前所處的網(wǎng)格未來是什么樣的天氣，能夠清楚地了解氣溫、降水、風(fēng)等多個(gè)基本氣象要素。

除了對陸地上的網(wǎng)格進(jìn)行預(yù)報(bào)外，氣象部門還將我國的責(zé)任海區(qū)劃分為多個(gè)10公里×10公里的網(wǎng)格，并進(jìn)行海上能見度、海上大風(fēng)等要素的精細(xì)化預(yù)報(bào)。

2 如何與公眾的感受和需求相契合，

是智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)要解決的重要問題

今年6月21～24日，北京全市平均降雨量達(dá)92毫米。但差不多同時(shí)收到預(yù)警的人，身邊的暴雨卻并未同一時(shí)間抵達(dá)——21日晚上，河北、天津、北京南部率先有雨；22日，經(jīng)過一天漫長的等待，當(dāng)天深夜，暴雨終于在北京大部地區(qū)降下。

在這個(gè)過程中，我們不難發(fā)現(xiàn)，天氣預(yù)報(bào)是準(zhǔn)確的，但天氣預(yù)報(bào)與公眾的需求和感受并沒有完全契合，有的地方下雨了，有的地方還沒下。如何與公眾的需求和感受相契合就是智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)要解決的問題。

智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)的初步目標(biāo)是把全國分成5公里×5公里的網(wǎng)格，在這個(gè)基礎(chǔ)上每隔1小時(shí)更新一次結(jié)果，如果遇到重大天氣過程，更新的頻率還會(huì)提高。也就是說，同樣一場雨，無論身在北京哪一個(gè)角落，得到的天氣預(yù)報(bào)是所處5公里網(wǎng)格范圍內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)。在北京南部的某個(gè)“網(wǎng)格”里，和在北京北部甚至距離不遠(yuǎn)的西南部、東南部某個(gè)“網(wǎng)格”里收到的天氣預(yù)報(bào)都是不一樣的。

與以前的天氣預(yù)報(bào)相比，網(wǎng)格預(yù)報(bào)是精細(xì)定量的數(shù)字化預(yù)報(bào)。在方便公眾獲取更精準(zhǔn)、更精細(xì)的天氣預(yù)報(bào)之余，還將有助于預(yù)報(bào)員開展高影響天氣預(yù)報(bào)和氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警，同時(shí)基于精細(xì)的智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)開展的地質(zhì)災(zāi)害、暴雨洪澇、高溫干旱等影響預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也會(huì)大大提高。

3 未來天氣預(yù)報(bào)信息會(huì)更全面、豐富，

數(shù)據(jù)量也會(huì)更龐大

網(wǎng)格化預(yù)報(bào)還能提供更為細(xì)致和豐富的預(yù)報(bào)內(nèi)容。

在原先的預(yù)報(bào)產(chǎn)品中，公眾接觸較多的就是氣溫、風(fēng)和天氣現(xiàn)象這三個(gè)要素，而當(dāng)前的陸地和海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品就已細(xì)化到四大類18個(gè)氣象要素。

第一類是基本要素，即氣溫、降水、降水相態(tài)、風(fēng)、云量、相對濕度等。以前，12小時(shí)的預(yù)報(bào)中就只反映一個(gè)要素值，現(xiàn)在有了更精細(xì)的逐3小時(shí)預(yù)報(bào)，可以反映不同時(shí)段的要素值。

第二類是環(huán)境氣象要素，包含霧、霾、沙塵暴、能見度等。

第三類是災(zāi)害性天氣要素，包含短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴、雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)。

第四類是海上氣象要素，在產(chǎn)品中具體體現(xiàn)為海上大風(fēng)、海上能見度、海上天氣現(xiàn)象等預(yù)報(bào)。

這張時(shí)空分辨率越來越高的預(yù)報(bào)網(wǎng)格已經(jīng)是氣象部門預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)最為關(guān)鍵的產(chǎn)品。將來，氣象部門的預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品都將從這張網(wǎng)中提取，需要什么就可以從中“拎”出什么來。

也就是說，基于智能技術(shù)的網(wǎng)格預(yù)報(bào)能更方便提供基于位置的精準(zhǔn)氣象服務(wù)。

隨著網(wǎng)格預(yù)報(bào)的發(fā)展，產(chǎn)品的內(nèi)容越來越全面、豐富，數(shù)據(jù)量也越來越龐大。公眾不見得直接使用這些產(chǎn)品，而是由中央氣象臺(tái)將這些產(chǎn)品作為基礎(chǔ)產(chǎn)品提供給各級氣象部門及氣象服務(wù)單位。各級氣象部門基于精細(xì)的網(wǎng)格預(yù)報(bào)，再結(jié)合基于位置、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)終端等服務(wù)手段，為公眾提供距離最近的、最具有針對性的服務(wù)和產(chǎn)品。

在所有可以體現(xiàn)智能化的氣象前沿科技成果中，最重要的是數(shù)值預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)。高分辨率智能網(wǎng)格需要高分辨率區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式支撐，而我國目前有四套性能較好的業(yè)務(wù)化運(yùn)行的高分辨率模式，包括中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心研發(fā)的GRAPES-MESO和北京、上海、廣東三個(gè)區(qū)域氣象中心研發(fā)的中尺度高分辨率模式。各省級氣象部門基于這些模式，開展數(shù)據(jù)處理、診斷分析、解釋應(yīng)用、交互訂正等，最終形成國省協(xié)調(diào)、精準(zhǔn)精細(xì)的智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)。

未來，氣象部門還將發(fā)展結(jié)合物理機(jī)理與數(shù)值預(yù)報(bào)大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的智能預(yù)報(bào)技術(shù)。一方面，基于數(shù)值預(yù)報(bào)機(jī)理的數(shù)理統(tǒng)計(jì)形成復(fù)雜預(yù)報(bào)模型、預(yù)報(bào)方法；另一方面，通過基于氣象大數(shù)據(jù)的挖掘萃取、機(jī)器學(xué)習(xí)等，人工智能將與天氣預(yù)報(bào)更深入地結(jié)合。

人工智能對預(yù)報(bào)提出了挑戰(zhàn)，但也給人類帶來機(jī)遇。擊敗世界圍棋排名第一人柯潔的“阿爾法狗”發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)脫離了靠大量棋譜來“喂養(yǎng)”的階段，憑深度學(xué)習(xí)就能不斷進(jìn)步。氣象與圍棋有所不同，圍棋雖然內(nèi)部機(jī)理比較復(fù)雜但規(guī)則相對簡單，而氣象是個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，受影響的因素太多。比如降雨，即便水汽、濕度條件都滿足了，但大氣沒有抬升，水汽無法凝結(jié)，空氣中沒有“凝結(jié)核”，雨滴也不會(huì)長大掉落地面。

因此，“智能”并不意味著預(yù)報(bào)員在這一過程中毫無“用武之地”。預(yù)報(bào)員的優(yōu)勢在于豐富的經(jīng)驗(yàn)和對關(guān)鍵天氣形勢的把握，在智能預(yù)報(bào)發(fā)展過程中，預(yù)報(bào)員多年的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)可以用來“喂養(yǎng)”機(jī)器和模型。在災(zāi)害天氣過程的預(yù)報(bào)服務(wù)中，預(yù)報(bào)員仍將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

目前，中國氣象局相關(guān)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與清華大學(xué)等合作開展人工智能技術(shù)研發(fā)工作；國家級氣象部門也聯(lián)合組建了智能預(yù)報(bào)服務(wù)原型系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)；國家氣象中心一批資深預(yù)報(bào)首席、年輕研發(fā)型預(yù)報(bào)員、IT工程師一道組成了大數(shù)據(jù)及智能預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)。我國氣象部門從去年開始也在研制全球網(wǎng)格預(yù)報(bào)。這樣一來，無論身處世界的哪個(gè)角落，公眾都能享受到我國氣象部門提供的貼心氣象服務(wù)。

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現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)是

如何誕生的

公元前340年的《氣象通典》一書是世界上最早的氣象學(xué)專著，使關(guān)于天氣現(xiàn)象的知識(shí)終于成為一門系統(tǒng)的學(xué)科。

這本書的作者是鼎鼎有名的科學(xué)家——亞里士多德。他試圖以自然哲學(xué)觀點(diǎn)解釋各種天氣現(xiàn)象。

公元16～19世紀(jì)，多種氣象儀器被發(fā)明。伽利略發(fā)明溫度計(jì)，這位科學(xué)偉人在創(chuàng)造了物理學(xué)的同時(shí)，改良?xì)庀髮W(xué)。達(dá)芬奇，這位跨領(lǐng)域的學(xué)者和藝術(shù)家，涉足了近代濕度計(jì)的發(fā)明。

大氣科學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)者，法國著名哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·笛卡兒讓其之后的氣象學(xué)完全擺脫了《氣qMxINFFX+UPToS6pcXmMkw==象通典》的束縛，使氣象學(xué)成為了完全具有科學(xué)性質(zhì)的學(xué)科。

在《氣象學(xué)》一書中，笛卡兒用新的方法解釋了各種天氣現(xiàn)象。他詳細(xì)討論了地面上的物質(zhì)以及上升的水汽性質(zhì)、云層以及風(fēng)的成因，并解釋了云層演化成雨、雹、雪的過程和暴風(fēng)雨、雷、閃電等的成因以及虹和大氣光現(xiàn)象。

哈雷彗星的發(fā)現(xiàn)者英國天文學(xué)家哈雷1686年在遠(yuǎn)洋航行中，系統(tǒng)研究了信風(fēng)和季風(fēng)，首倡信風(fēng)和季風(fēng)的環(huán)流理論，被后世的氣象學(xué)家尊稱為“動(dòng)力氣象學(xué)之父”。

環(huán)流理論的另一位杰出科學(xué)家是英國天文學(xué)家哈德萊。我們熟知的環(huán)流模型，就是以他的名字命名——哈德萊環(huán)流。

美國人莫爾斯，發(fā)明了“莫爾斯電碼”，莫爾斯電碼很快用到氣象上，1851年，英國的氣象學(xué)家格萊舍在倫敦水晶宮舉辦的萬國博覽會(huì)上展出第一張利用電報(bào)收集各地氣象資料而繪制的地面天氣圖。最初的地面觀測資料都是通過莫爾斯電碼上報(bào)、匯總的，當(dāng)時(shí)的觀測員都需要把觀測到的天氣現(xiàn)象編成報(bào)文，通過電話發(fā)出去。

有了天文、物理、數(shù)學(xué)等構(gòu)建的基礎(chǔ)理論和各種氣象儀器、觀測記錄，在17世紀(jì)以后，在文藝復(fù)興浪潮的推動(dòng)下，氣象學(xué)完全轉(zhuǎn)入新的階段，以實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的方法來研究氣象學(xué)，真正的天氣預(yù)報(bào)誕生了。

最早的現(xiàn)代氣象學(xué)預(yù)報(bào)出現(xiàn)在法國，最早開展的天氣預(yù)報(bào)是——臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)。

1854年11月，英法聯(lián)合艦隊(duì)在黑海上和俄軍決戰(zhàn)，可是還未開戰(zhàn)，就遭到了一場強(qiáng)風(fēng)暴的襲擊，一下子沉沒了30多艘艦船。事后，巴黎天文臺(tái)臺(tái)長勒弗里埃受命調(diào)查這次風(fēng)暴的來龍去脈。他發(fā)信給各國氣象臺(tái)站，收集到許多氣象情報(bào)，繪制了一張?zhí)鞖鈭D，發(fā)現(xiàn)這種風(fēng)暴的移動(dòng)有一定規(guī)律。

1855年3月，勒弗里埃提出，如果組織觀測網(wǎng)，迅速將觀測資料集中一地，分析繪制天氣圖，則可推斷出未來風(fēng)暴的運(yùn)行路徑。在各方贊助下，法國終于在1856年建立了正規(guī)的氣象站網(wǎng)，開始了天氣預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)工作，這是世界的首創(chuàng)。