科技突破“捕風(fēng)”瓶頸臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)邁入“精準(zhǔn)時(shí)代”

2025年7月，全球臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)中心發(fā)布雙語平臺(tái)“StormHub”，實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)信息15分鐘級(jí)動(dòng)態(tài)更新，標(biāo)志著我國臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)正式邁入分鐘級(jí)精準(zhǔn)時(shí)代。支撐這一突破的，是“空—天—地—海”立體觀測體系與人工智能的深度融合。

然而，科技飛躍正面臨氣候變暖催化的“臺(tái)風(fēng)悖論”：全球臺(tái)風(fēng)頻數(shù)減少16%，但強(qiáng)度與災(zāi)害反增。2024年“摩羯”“貝碧嘉”接連刷新我國秋臺(tái)風(fēng)、上海登陸臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度紀(jì)錄，極端降水事件頻次較30年前激增60%。面對(duì)“少而更強(qiáng)”的臺(tái)風(fēng)趨勢(shì)，臺(tái)風(fēng)科學(xué)家提出“將風(fēng)抓在指尖，把雨裝進(jìn)算法”。正如上海亞太臺(tái)風(fēng)研究中心主任湯杰所言：“科技韌性與全球協(xié)作是抵御災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的硬核盾牌?！?/p>

地?？仗煲惑w化監(jiān)測，開啟與臺(tái)風(fēng)的全新對(duì)話

1956年，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“溫黛”（史稱5612臺(tái)風(fēng)，也稱八一大臺(tái)風(fēng)）重創(chuàng)浙江，造成5000余人遇難——當(dāng)時(shí)的氣象預(yù)報(bào)員只能在臺(tái)風(fēng)登陸前3小時(shí)發(fā)出模糊預(yù)警。而今，當(dāng)我們2024年面對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“貝碧嘉”時(shí)，在高精度衛(wèi)星監(jiān)測配合高分辨數(shù)值模式以及人工智能模型幫助下，預(yù)報(bào)員們能夠提前2到3天就劃出它的可能登陸點(diǎn)，最終臺(tái)風(fēng)24小時(shí)預(yù)報(bào)與實(shí)況登陸點(diǎn)誤差小于50公里，因而此次創(chuàng)紀(jì)錄強(qiáng)度登陸上海的臺(tái)風(fēng)沒有造成人員直接傷亡。

這場變革的核心，是臺(tái)風(fēng)相關(guān)科技人員一方面不斷創(chuàng)新觀測技術(shù)，構(gòu)建地海空天一體化臺(tái)風(fēng)監(jiān)測體系；另外一方面大力提升預(yù)報(bào)模型能力，積極推動(dòng)數(shù)值模式與人工智能的深度融合。從穿透云層的多源探測體系到精準(zhǔn)靈巧的人工智能模型，人類擁有了能與臺(tái)風(fēng)更深度對(duì)話的全新語言。

立體觀測“三維掃描”臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)

觀測資料是深入理解熱帶氣旋活動(dòng)的基礎(chǔ)。現(xiàn)代科技史上，人類對(duì)臺(tái)風(fēng)的系統(tǒng)性觀測研究始于1831年。彼時(shí)，美國氣象學(xué)家瑞德菲爾德（William Redfield）依據(jù)觀測資料，首次推斷颶風(fēng)是環(huán)繞一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)形成的巨大風(fēng)暴，由此揭開了人類科學(xué)認(rèn)知臺(tái)風(fēng)的序幕。（編者注：臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)有一個(gè)共同的名字：熱帶氣旋。由于“產(chǎn)地”不同，被冠以不同的稱呼。在北半球，東太平洋和大西洋海域上生成的風(fēng)力達(dá)到12級(jí)的熱帶氣旋稱之為颶風(fēng)，而西太平洋海域則稱之為臺(tái)風(fēng)。）48年后的1879年，位于中國上海的徐家匯觀象臺(tái)成功捕捉到臺(tái)風(fēng)過境時(shí)典型的“漏斗型”氣壓驟降現(xiàn)象。時(shí)任徐家匯觀象臺(tái)臺(tái)長能恩斯（Marc Dechvrens）等人憑借這一關(guān)鍵觀測，以驚人的想象力手繪出人類歷史上第一張臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖。1881年，上海徐家匯觀象臺(tái)發(fā)出中國首個(gè)臺(tái)風(fēng)警報(bào)時(shí)，傳教士們依靠的是單站觀測和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。

近年來，越來越多的新型技術(shù)手段被廣泛應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)觀測，包括各種靜止和極軌衛(wèi)星、新型無人機(jī)、大型火箭與智能船舶、各種光學(xué)和微波雷達(dá)都在臺(tái)風(fēng)觀測試驗(yàn)中創(chuàng)新應(yīng)用。這些技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)了從邊界層到對(duì)流層頂，從臺(tái)風(fēng)外圍到內(nèi)核深處的臺(tái)風(fēng)全方位三維立體觀測，極大地提升了人們對(duì)臺(tái)風(fēng)動(dòng)態(tài)掌握能力。

在眾多臺(tái)風(fēng)觀測手段中，衛(wèi)星是核心的手段之一。1960年，全球首顆成功運(yùn)行的氣象衛(wèi)星TIROS-1首次傳回可用云圖，突破了氣象觀測對(duì)地面站點(diǎn)的依賴，極大提升了臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測的時(shí)效和空間覆蓋。

近年來，越來越多先進(jìn)的星載傳感器成為人類“穿透云層看臺(tái)風(fēng)”的顯微鏡，臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)員們能精確獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部溫度、濕度、降水和海面風(fēng)場等關(guān)鍵信息。風(fēng)云三號(hào)G星上的微波輻射計(jì)像靈敏的“順風(fēng)耳”，通過地球微波輻射反演海面風(fēng)速與降水強(qiáng)度；微波散射計(jì)（如風(fēng)云三號(hào)E星）則如主動(dòng)“探測雷達(dá)”，分析回波精確測量風(fēng)速風(fēng)向；合成孔徑雷達(dá)（SAR，搭載在我國高分系列衛(wèi)星）則以米級(jí)分辨率還原臺(tái)風(fēng)風(fēng)場等結(jié)構(gòu)，被譽(yù)為高精度“CT掃描儀”。

與此同時(shí)，小衛(wèi)星群異軍突起，創(chuàng)新利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)，高頻次、全天候捕捉臺(tái)風(fēng)，配合風(fēng)云系列及海洋系列衛(wèi)星等對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行的實(shí)時(shí)高精度觀測，極大地推動(dòng)了我國乃至全球?qū)τ诤Ｉ吓_(tái)風(fēng)的監(jiān)測能力。

在這一趨勢(shì)下，中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所研發(fā)了“星載主被動(dòng)微波協(xié)同的臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈識(shí)別系統(tǒng)”，融合多源衛(wèi)星觀測，創(chuàng)新提出多層級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈定量提取算法。在2021年“煙花”臺(tái)風(fēng)實(shí)戰(zhàn)中，該技術(shù)解析了臺(tái)風(fēng)全生命周期的尺寸變化，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)“煙花”臺(tái)風(fēng)在登陸前階段有尺寸迅速增大的現(xiàn)象，為預(yù)報(bào)員提供了科學(xué)定量的第一手參考信息，幫助為航運(yùn)、保險(xiǎn)、應(yīng)急管理等領(lǐng)域提供堅(jiān)實(shí)科技支撐，相關(guān)算法已經(jīng)應(yīng)用于包括國家氣象中心在內(nèi)的各個(gè)臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)服務(wù)部門。

飛機(jī)觀測進(jìn)一步彌補(bǔ)了傳統(tǒng)高空氣象觀測的空白。無人機(jī)不僅像探空氣球一樣直接觀測多種氣象要素，更因機(jī)動(dòng)靈活，能抵達(dá)極端環(huán)境或人跡罕至的區(qū)域長期作業(yè)。

科技韌性與全球協(xié)作是抵御災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的硬核盾牌。

2020年，中國氣象局通過組織“海燕計(jì)劃”利用大型無人機(jī)下投探空儀和毫米波雷達(dá)，對(duì)當(dāng)年的臺(tái)風(fēng)“森拉克”外圍云系進(jìn)行立體掃描。

2024年9月，“海燕”無人機(jī)再次在南海開展臺(tái)風(fēng)觀測試驗(yàn)。無人機(jī)搭載攝像頭還可獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部珍貴影像資料，為科學(xué)研究提供獨(dú)特視角。同年，中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所與香港天文臺(tái)首次在南海針對(duì)臺(tái)風(fēng)“潭美”展開雙有人機(jī)觀測，實(shí)現(xiàn)了我國南海臺(tái)風(fēng)科學(xué)試驗(yàn)的突破。

大氣邊界層是對(duì)流層中受地面影響最直接、最強(qiáng)烈的區(qū)域。相比傳統(tǒng)風(fēng)廓線雷達(dá)，多普勒激光雷達(dá)以及移動(dòng)相控陣?yán)走_(dá)具備更高時(shí)空分辨率、更強(qiáng)抗干擾能力及便攜易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。依托國內(nèi)激光雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)企業(yè)和科研院所支持，我國的臺(tái)風(fēng)觀測團(tuán)隊(duì)多次組建以多普勒激光雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)為主要骨干的臺(tái)風(fēng)高精度觀測網(wǎng)，形成10米級(jí)分辨率臺(tái)風(fēng)精細(xì)觀測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)追蹤。

臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)精度不斷提升

資料同化技術(shù)被譽(yù)為“連接觀測與模擬的橋梁”。通過將衛(wèi)星、雷達(dá)、無人機(jī)、地面觀測站等多源觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型實(shí)時(shí)融合，資料同化有效填補(bǔ)了觀測時(shí)空空白，極大提升了大氣初始場精度。四維變分同化（4D-Var）、集合卡爾曼濾波（EnKF）等先進(jìn)同化方法，已能高效利用全球衛(wèi)星云圖、三維風(fēng)場、海面溫度及臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵資料，為臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)所等機(jī)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)多源觀測數(shù)據(jù)的集成同化，并與區(qū)域高分辨率數(shù)值模式深度耦合，顯著提升臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

與此同時(shí)，數(shù)值預(yù)報(bào)模式正向更高分辨率、更復(fù)雜物理過程快速迭代。新一代全球及區(qū)域數(shù)值模式（如GRAPES等），不僅能細(xì)致模擬臺(tái)風(fēng)生成、發(fā)展、移動(dòng)、消亡的全過程，還能準(zhǔn)確還原臺(tái)風(fēng)眼墻、雨帶等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。物理過程參數(shù)化、云微物理、多尺度耦合等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，使模式在極端天氣下表現(xiàn)日益逼真。在超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助下，臺(tái)風(fēng)模擬已可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)、精細(xì)化運(yùn)行。2016年，“中國智造”的GRAPES全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)正式進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行，標(biāo)志著我國數(shù)值模式步入世界先進(jìn)行列。

人工智能引領(lǐng)預(yù)報(bào)智能化

隨著人工智能技術(shù)的飛速進(jìn)步，臺(tái)風(fēng)領(lǐng)域正掀起新一輪科技革命。深度學(xué)習(xí)、大模型等AI技術(shù)在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測與預(yù)報(bào)中持續(xù)突破，極大提升了預(yù)報(bào)的智能化與精準(zhǔn)化水平。包括風(fēng)烏、伏羲、盤古等著名AI模型首先通過深度挖掘海量觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星雷達(dá)觀測等多源數(shù)據(jù)中的復(fù)雜規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度等關(guān)鍵要素的快速、智能預(yù)測。例如，基于深度學(xué)習(xí)的AI模型可在數(shù)秒內(nèi)給出臺(tái)風(fēng)未來路徑概率分布，也可以在幾分鐘內(nèi)給出長達(dá)10天的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)，為應(yīng)急響應(yīng)爭取寶貴時(shí)間。更值得關(guān)注的是，人工智能技術(shù)不僅提高了短期路徑預(yù)報(bào)精度，還能挖掘臺(tái)風(fēng)生成與演變的氣候背景信號(hào)，推動(dòng)季節(jié)與年際變化的預(yù)測。當(dāng)前，國內(nèi)多家單位已將AI算法與傳統(tǒng)數(shù)值模式深度耦合，構(gòu)建新一代臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在今年多次臺(tái)風(fēng)實(shí)戰(zhàn)與極端天氣防控中展現(xiàn)出極強(qiáng)的智能預(yù)警能力。

中國科研人員已提出將機(jī)器學(xué)習(xí)模型與物理模式相融合的新一代臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)框架，將氣象AI大模型的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)和高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，個(gè)例試驗(yàn)顯示臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)的有效時(shí)效有望延長至7天以上。此外，AI技術(shù)已應(yīng)用于基于遙感觀測的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)反演、臺(tái)風(fēng)模式物理過程參數(shù)化方案發(fā)展、臺(tái)風(fēng)特征量單項(xiàng)預(yù)報(bào)等諸多研究中，顯現(xiàn)了相較傳統(tǒng)線性統(tǒng)計(jì)方法在提升精度方面的明顯優(yōu)勢(shì)。

氣象防災(zāi)需要國際合作

隨著以衛(wèi)星為代表的觀測手段和以人工智能模型為代表的預(yù)報(bào)手段越來越豐富，臺(tái)風(fēng)科學(xué)家們擁有前所未有豐富的氣象數(shù)據(jù)，為防臺(tái)減災(zāi)帶來了更好的機(jī)會(huì)，但是海量數(shù)據(jù)和緊迫精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)時(shí)效帶來了極大的挑戰(zhàn)。

不同于其他氣象災(zāi)害，臺(tái)風(fēng)從生成到消亡往往經(jīng)歷多個(gè)國家，是一個(gè)高度需要國際協(xié)作的氣象災(zāi)害。如何在防臺(tái)減災(zāi)領(lǐng)域內(nèi)打造和踐行“人類命運(yùn)共同體”，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。位于上海臨港的亞太臺(tái)風(fēng)研究中心，抓住歷史機(jī)遇，充分發(fā)揮國際組織下屬國際科研平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，推出“全球臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)中心”，為全球臺(tái)風(fēng)相關(guān)人員提供數(shù)據(jù)和算法支持。

未來展望：邁向“主動(dòng)防御”新時(shí)代

隨著人工智能與氣象科學(xué)的持續(xù)融合，臺(tái)風(fēng)監(jiān)測預(yù)報(bào)必將更加智慧高效，為防災(zāi)減災(zāi)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的科技保障。與此同時(shí)，全球臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和服務(wù)能力對(duì)遠(yuǎn)洋航運(yùn)、海上牧場、能源等經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)越來越重要，全社會(huì)對(duì)臺(tái)風(fēng)科研人員提出了新的問題：能否將臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)和人工干預(yù)臺(tái)風(fēng)技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合，提升人類對(duì)臺(tái)風(fēng)的趨利避害響應(yīng)能力？這一問題，正重新受到中外學(xué)者的共同關(guān)注，當(dāng)前日本等國家已經(jīng)開始相關(guān)科研攻關(guān)。對(duì)這一類問題的探索，能否給臺(tái)風(fēng)科技帶來顛覆性的變革，非常值得進(jìn)一步探討，也將成為亞太臺(tái)風(fēng)中心未來深度探索的方向。隨著量子計(jì)算、人工智能等技術(shù)的融入，臺(tái)風(fēng)防御正在進(jìn)入新階段，一場靜悄悄的技術(shù)革命正在防臺(tái)減災(zāi)領(lǐng)域發(fā)生。

這場科技革命不僅將提升人類對(duì)臺(tái)風(fēng)防御能力，更可能改變?nèi)祟惻c臺(tái)風(fēng)的關(guān)系。人們從被動(dòng)應(yīng)對(duì)到主動(dòng)防御，從經(jīng)驗(yàn)定性判斷到數(shù)據(jù)定量決策，科技創(chuàng)新正在將臺(tái)風(fēng)這個(gè)“海洋猛獸”轉(zhuǎn)化為可預(yù)測、可防御的自然現(xiàn)象甚至可控制、可利用的自然資源。為了這一目標(biāo)，亞太臺(tái)風(fēng)中心將以“雖然我們不能做到百分百的準(zhǔn)確，但我們將盡百分百的努力”的理念，積極開展多學(xué)科交叉和國際合作研究，打造建設(shè)世界級(jí)的臺(tái)風(fēng)科技和人才高地，在臺(tái)風(fēng)這樣的重大氣象災(zāi)害防御領(lǐng)域領(lǐng)銜建設(shè)人類命運(yùn)共同體。

◎ 來源|上觀新聞