天氣預報迎來變革

史佳慶

天氣預報工作與人們的日常生活息息相關，及時又精準的天氣預測可以幫助人們應對自然天氣災害、創造更多經濟效益。近年來，全球范圍內的極端天氣事件呈現增多、增強、時空分布復雜多變等趨勢，加大了天氣預報工作的難度。

隨著大數據和人工智能的發展，海量數據深度學習和復雜神經網絡等技術落地的應用，人工智能預報天氣已成為現實。

“氣象領域擁有海量的精密觀測數據，人工智能（AI）是典型的數據模型，在氣象領域能發揮重要作用，可使預報預測能力得到很大提高。”武漢大學校長、中國科學院院士張平文告訴《瞭望東方周刊》。

當氣象服務遇到人工智能，會碰撞出怎樣的火花？

目前，人工智能不僅能對高溫、冰雹、暴雨等極端天氣擁有特征識別和預測能力，在決策氣象服務方面亦可以就災情、天氣預報、氣象災害預警等作出詳細通報。

不懼海量數據

隨著觀測衛星、雷達和傳感器網絡持續不斷產生大量數據，如何處理海量的、多種多樣的氣象資料成為天氣預報的一個挑戰。

上海中心氣象臺技術開發科科長儲海告訴《瞭望東方周刊》，對于氣溫這樣相對基礎的預報而言，上海智能預報客觀產品已可以將預報網格分辨率精細到1公里，并能實現最快每10分鐘更新一次。

“在2022年的極端酷熱天氣中，人工智能的預報表現得尤為突出。比如，針對未來24小時的最高氣溫預報，月平均誤差從原來的2℃降低到現在的1℃以內。”儲海說。

值得關注的案例還有，2022年7月20日，中央氣象臺首次成功預報龍卷風，并于14時發布強對流天氣黃色預警。

對此，國家氣象中心強天氣預報中心副主任楊波表示，中國龍卷風預報存在觀測難、基礎理論研究不足、預報難和樣本基數少等情況。為了準確預測龍卷風，國家氣象中心基于機理認知建立了龍卷風天氣識別、診斷分析、臨近預警和短時短期潛勢預報技術，首次在國內形成了完整的龍卷風預報預警技術體系。

目前，人工智能不僅能對高溫、冰雹、暴雨等極端天氣擁有特征識別和預測能力，在決策氣象服務方面亦可就災情、天氣預報、氣象災害預警等作出詳細通報。

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寫稿AI系統以來，AI每天都會對天氣的風云變化，尤其是災情、天氣預報、氣象災害預警等信息作出詳細通報，大大提升了氣象部門決策服務的工作效率，例如在臺風影響期間，AI可以定時發出一篇“臺風氣象快訊”，內容除了包含臺風最新動態（強度、位置等）、對上海的風雨影響實況和產生的災情外，還能根據臺風最新定位，測算出其與上海地區的精確距離，以及未來不同時效的風雨預報，為決策部門快速提供精細服務。另外，決策部門也可通過AI的用戶自定義功能，根據各自需求，對產品內容、預報時效、產品形式等進行定制化設置，讓AI寫一份‘獨一無二的個性化決策氣象服務稿件。”儲海告訴《瞭望東方周刊》。

精度更高，更新更快

據介紹，早在2017年，上海氣象部門的預報團隊就引入了人工智能。有了人工智能，計算機模型對長時記憶具備更大容量，能使雷達回波推算時長延長至2小時，讓預報員在暴雨等強對流天氣面前應對自如。

“相較傳統方法，人工智能在資料處理、分類問題解決、統計回歸上具有優勢，部分成熟算法可直接應用于觀測、預報、服務，能夠大幅提高傳統預報的精細和精準水平。”儲海稱，“學習了雙偏振多普勒雷達觀測所刻畫的強對流天氣歷史演變特征后，人工智能不僅可以給出降雨強度，還能快速、準確地‘畫出降雨集中區域。”

“上海中心氣象臺與復旦大學計算機學院合作，發展了基于星型網絡的雷達外推模型和基于時空尺度自適應的模式降水訂正模型，能夠對短時強對流系統的生消演變和短期模式降水預報的位置及強度誤差進行訂正。比如，在‘4·30強對流過程中，上海利用衛星多通道數據建立冰雹云識別和最大直徑估算的神經網絡模型，對冰雹天氣現象進行了較好的識別，而降水預測深度學習模型對后期上海西南部對流的再次新生發展作出了預報，為預警的繼續發布提供了依據。”儲海告訴《瞭望東方周刊》。

5月11日，無錫市防汛防臺秒響應系統服務模塊展示

此前，在北京冬奧會賽場，得益于北京大學重慶大數據研究院開發的人工智能MOML算法賦能天氣預報模型，氣象短時臨近預報“百米級尺度、分鐘級更新”已經實現。

2023年4月8日，上海人工智能實驗室聯合中國科學技術大學、上海交通大學、南京信息工程大學、中國科學院大氣物理研究所及上海中心氣象臺發布全球中期天氣預報大模型“風烏”。

上海人工智能實驗室青年科學家白磊表示，“風烏”提供了一個強大有效的全球中期天氣預報的人工智能框架，其領先性體現在預報精度、預報時效和資源效率三方面。

據稱，在預報精度方面，“風烏”的10天預報誤差降低10.87%，而相比于傳統的物理模型，誤差降低了19.4%。

未來前景廣闊

人工智能技術在氣象預報領域發揮越來越重要的作用。為推進智慧氣象行業發展，我國出臺了多項相關政策。

2022年，國務院印發《氣象高質量發展綱要（2022—2035年）》，明確要求推進氣象服務數字化、智能化轉型，發展基于場景、基于影響的氣象服務技術，研究構建氣象服務大數據、智能化產品制作和融媒體發布平臺，發展智能研判、精準推送的智慧氣象服務。

上海中心氣象臺基于深度學習的強降水預測模型結構圖

中國氣象局黨組書記、局長陳振林表示，人工智能是引領科技革命和產業變革的戰略性技術，發展人工智能是世界科技革命的必然趨勢、中國式現代化建設的必要舉措、實現氣象高質量發展的內在要求，氣象部門要順應時代潮流，牢牢把握人工智能新科技革命浪潮，加快推進人工智能技術在氣象領域全面、系統、深入融合應用。

目前，氣象領域仍然存在極端天氣事件預報不準確的難題。

儲海認為，數據短缺是天氣預報發展的首要挑戰。比如，對冰雹、龍卷風這樣小尺度的天氣，往往只有經過人工觀測才會被記錄下來，可供機器學習的數據很少。他建議，“人工智能研究人員與氣象部門加強合作，進行長時間的討論與磨合。”

在張平文看來，把人工智能廣泛應用到氣象領域，其機理與數據的融合計算非常具有挑戰性。“比如，人工智能如何應用于求解數值天氣預報模式的物理基礎Navier-Stokes方程等，氣象領域在這方面的算法研究還比較缺乏。”

展望未來，張平文充滿信心：“人工智能在氣象領域的應用，不僅將給人們提供更精準的預報服務，還將給氣象行業甚至整個大氣科學帶來變革。”