天氣預(yù)報(bào)迎來變革

史佳慶

天氣預(yù)報(bào)工作與人們的日常生活息息相關(guān)，及時(shí)又精準(zhǔn)的天氣預(yù)測(cè)可以幫助人們應(yīng)對(duì)自然天氣災(zāi)害、創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益。近年來，全球范圍內(nèi)的極端天氣事件呈現(xiàn)增多、增強(qiáng)、時(shí)空分布復(fù)雜多變等趨勢(shì)，加大了天氣預(yù)報(bào)工作的難度。

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，海量數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)和復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)落地的應(yīng)用，人工智能預(yù)報(bào)天氣已成為現(xiàn)實(shí)。

“氣象領(lǐng)域擁有海量的精密觀測(cè)數(shù)據(jù)，人工智能（AI）是典型的數(shù)據(jù)模型，在氣象領(lǐng)域能發(fā)揮重要作用，可使預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力得到很大提高?！蔽錆h大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士張平文告訴《瞭望東方周刊》。

當(dāng)氣象服務(wù)遇到人工智能，會(huì)碰撞出怎樣的火花？

目前，人工智能不僅能對(duì)高溫、冰雹、暴雨等極端天氣擁有特征識(shí)別和預(yù)測(cè)能力，在決策氣象服務(wù)方面亦可以就災(zāi)情、天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警等作出詳細(xì)通報(bào)。

不懼海量數(shù)據(jù)

隨著觀測(cè)衛(wèi)星、雷達(dá)和傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)不斷產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，如何處理海量的、多種多樣的氣象資料成為天氣預(yù)報(bào)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

上海中心氣象臺(tái)技術(shù)開發(fā)科科長儲(chǔ)海告訴《瞭望東方周刊》，對(duì)于氣溫這樣相對(duì)基礎(chǔ)的預(yù)報(bào)而言，上海智能預(yù)報(bào)客觀產(chǎn)品已可以將預(yù)報(bào)網(wǎng)格分辨率精細(xì)到1公里，并能實(shí)現(xiàn)最快每10分鐘更新一次。

“在2022年的極端酷熱天氣中，人工智能的預(yù)報(bào)表現(xiàn)得尤為突出。比如，針對(duì)未來24小時(shí)的最高氣溫預(yù)報(bào)，月平均誤差從原來的2℃降低到現(xiàn)在的1℃以內(nèi)。”儲(chǔ)海說。

值得關(guān)注的案例還有，2022年7月20日，中央氣象臺(tái)首次成功預(yù)報(bào)龍卷風(fēng)，并于14時(shí)發(fā)布強(qiáng)對(duì)流天氣黃色預(yù)警。

對(duì)此，國家氣象中心強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)中心副主任楊波表示，中國龍卷風(fēng)預(yù)報(bào)存在觀測(cè)難、基礎(chǔ)理論研究不足、預(yù)報(bào)難和樣本基數(shù)少等情況。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)龍卷風(fēng)，國家氣象中心基于機(jī)理認(rèn)知建立了龍卷風(fēng)天氣識(shí)別、診斷分析、臨近預(yù)警和短時(shí)短期潛勢(shì)預(yù)報(bào)技術(shù)，首次在國內(nèi)形成了完整的龍卷風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)體系。

目前，人工智能不僅能對(duì)高溫、冰雹、暴雨等極端天氣擁有特征識(shí)別和預(yù)測(cè)能力，在決策氣象服務(wù)方面亦可就災(zāi)情、天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警等作出詳細(xì)通報(bào)。

上海氣象部門的人工智能已取得不少成果。

“自2021年，上海引入決策氣象服務(wù)寫稿AI系統(tǒng)以來，AI每天都會(huì)對(duì)天氣的風(fēng)云變化，尤其是災(zāi)情、天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警等信息作出詳細(xì)通報(bào)，大大提升了氣象部門決策服務(wù)的工作效率，例如在臺(tái)風(fēng)影響期間，AI可以定時(shí)發(fā)出一篇“臺(tái)風(fēng)氣象快訊”，內(nèi)容除了包含臺(tái)風(fēng)最新動(dòng)態(tài)（強(qiáng)度、位置等）、對(duì)上海的風(fēng)雨影響實(shí)況和產(chǎn)生的災(zāi)情外，還能根據(jù)臺(tái)風(fēng)最新定位，測(cè)算出其與上海地區(qū)的精確距離，以及未來不同時(shí)效的風(fēng)雨預(yù)報(bào)，為決策部門快速提供精細(xì)服務(wù)。另外，決策部門也可通過AI的用戶自定義功能，根據(jù)各自需求，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)容、預(yù)報(bào)時(shí)效、產(chǎn)品形式等進(jìn)行定制化設(shè)置，讓AI寫一份‘獨(dú)一無二的個(gè)性化決策氣象服務(wù)稿件。”儲(chǔ)海告訴《瞭望東方周刊》。

精度更高，更新更快

據(jù)介紹，早在2017年，上海氣象部門的預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)就引入了人工智能。有了人工智能，計(jì)算機(jī)模型對(duì)長時(shí)記憶具備更大容量，能使雷達(dá)回波推算時(shí)長延長至2小時(shí)，讓預(yù)報(bào)員在暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣面前應(yīng)對(duì)自如。

“相較傳統(tǒng)方法，人工智能在資料處理、分類問題解決、統(tǒng)計(jì)回歸上具有優(yōu)勢(shì)，部分成熟算法可直接應(yīng)用于觀測(cè)、預(yù)報(bào)、服務(wù)，能夠大幅提高傳統(tǒng)預(yù)報(bào)的精細(xì)和精準(zhǔn)水平?！眱?chǔ)海稱，“學(xué)習(xí)了雙偏振多普勒雷達(dá)觀測(cè)所刻畫的強(qiáng)對(duì)流天氣歷史演變特征后，人工智能不僅可以給出降雨強(qiáng)度，還能快速、準(zhǔn)確地‘畫出降雨集中區(qū)域?！?/p>

“上海中心氣象臺(tái)與復(fù)旦大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院合作，發(fā)展了基于星型網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)外推模型和基于時(shí)空尺度自適應(yīng)的模式降水訂正模型，能夠?qū)Χ虝r(shí)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的生消演變和短期模式降水預(yù)報(bào)的位置及強(qiáng)度誤差進(jìn)行訂正。比如，在‘4·30強(qiáng)對(duì)流過程中，上海利用衛(wèi)星多通道數(shù)據(jù)建立冰雹云識(shí)別和最大直徑估算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)冰雹天氣現(xiàn)象進(jìn)行了較好的識(shí)別，而降水預(yù)測(cè)深度學(xué)習(xí)模型對(duì)后期上海西南部對(duì)流的再次新生發(fā)展作出了預(yù)報(bào)，為預(yù)警的繼續(xù)發(fā)布提供了依據(jù)?！眱?chǔ)海告訴《瞭望東方周刊》。

5月11日，無錫市防汛防臺(tái)秒響應(yīng)系統(tǒng)服務(wù)模塊展示

此前，在北京冬奧會(huì)賽場(chǎng)，得益于北京大學(xué)重慶大數(shù)據(jù)研究院開發(fā)的人工智能MOML算法賦能天氣預(yù)報(bào)模型，氣象短時(shí)臨近預(yù)報(bào)“百米級(jí)尺度、分鐘級(jí)更新”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

2023年4月8日，上海人工智能實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京信息工程大學(xué)、中國科學(xué)院大氣物理研究所及上海中心氣象臺(tái)發(fā)布全球中期天氣預(yù)報(bào)大模型“風(fēng)烏”。

上海人工智能實(shí)驗(yàn)室青年科學(xué)家白磊表示，“風(fēng)烏”提供了一個(gè)強(qiáng)大有效的全球中期天氣預(yù)報(bào)的人工智能框架，其領(lǐng)先性體現(xiàn)在預(yù)報(bào)精度、預(yù)報(bào)時(shí)效和資源效率三方面。

據(jù)稱，在預(yù)報(bào)精度方面，“風(fēng)烏”的10天預(yù)報(bào)誤差降低10.87%，而相比于傳統(tǒng)的物理模型，誤差降低了19.4%。

未來前景廣闊

人工智能技術(shù)在氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。為推進(jìn)智慧氣象行業(yè)發(fā)展，我國出臺(tái)了多項(xiàng)相關(guān)政策。

2022年，國務(wù)院印發(fā)《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022—2035年）》，明確要求推進(jìn)氣象服務(wù)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，發(fā)展基于場(chǎng)景、基于影響的氣象服務(wù)技術(shù)，研究構(gòu)建氣象服務(wù)大數(shù)據(jù)、智能化產(chǎn)品制作和融媒體發(fā)布平臺(tái)，發(fā)展智能研判、精準(zhǔn)推送的智慧氣象服務(wù)。

上海中心氣象臺(tái)基于深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)降水預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)圖

中國氣象局黨組書記、局長陳振林表示，人工智能是引領(lǐng)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術(shù)，發(fā)展人工智能是世界科技革命的必然趨勢(shì)、中國式現(xiàn)代化建設(shè)的必要舉措、實(shí)現(xiàn)氣象高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，氣象部門要順應(yīng)時(shí)代潮流，牢牢把握人工智能新科技革命浪潮，加快推進(jìn)人工智能技術(shù)在氣象領(lǐng)域全面、系統(tǒng)、深入融合應(yīng)用。

目前，氣象領(lǐng)域仍然存在極端天氣事件預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的難題。

儲(chǔ)海認(rèn)為，數(shù)據(jù)短缺是天氣預(yù)報(bào)發(fā)展的首要挑戰(zhàn)。比如，對(duì)冰雹、龍卷風(fēng)這樣小尺度的天氣，往往只有經(jīng)過人工觀測(cè)才會(huì)被記錄下來，可供機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)很少。他建議，“人工智能研究人員與氣象部門加強(qiáng)合作，進(jìn)行長時(shí)間的討論與磨合?！?/p>

在張平文看來，把人工智能廣泛應(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。“比如，人工智能如何應(yīng)用于求解數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的物理基礎(chǔ)Navier-Stokes方程等，氣象領(lǐng)域在這方面的算法研究還比較缺乏?！?/p>

展望未來，張平文充滿信心：“人工智能在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅將給人們提供更精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)服務(wù)，還將給氣象行業(yè)甚至整個(gè)大氣科學(xué)帶來變革?！?/p>