短時(shí)臨近預(yù)報(bào)聽(tīng)“風(fēng)雷”

2024年11月1日6時(shí)，中央氣象臺(tái)發(fā)布暴雨藍(lán)色預(yù)警：預(yù)計(jì)當(dāng)日8時(shí)至次日8時(shí)，江蘇東南部、上海、浙江中東部等地將出現(xiàn)大到暴雨。相比傳統(tǒng)預(yù)報(bào)，此番應(yīng)用的人工智能短時(shí)臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)“風(fēng)雷”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“風(fēng)雷”）提前了90分鐘準(zhǔn)確預(yù)警，為相關(guān)部門(mén)部署防范爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。

“‘風(fēng)雷’應(yīng)用深度學(xué)習(xí)和生成式人工智能技術(shù)，將物理模型和人工智能有機(jī)融合，在預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和細(xì)節(jié)豐富性上實(shí)現(xiàn)了突破?！?/p>

作為我國(guó)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要組成部分，短時(shí)臨近預(yù)報(bào)主要針對(duì)強(qiáng)對(duì)流、強(qiáng)降水、突發(fā)性大霧等突發(fā)性和小尺度天氣，包括短時(shí)預(yù)報(bào)和臨近預(yù)報(bào)。其中，短時(shí)預(yù)報(bào)一般指對(duì)未來(lái)2至12小時(shí)的預(yù)報(bào)，臨近預(yù)報(bào)也被稱(chēng)為甚短時(shí)預(yù)報(bào)，指對(duì)當(dāng)前天氣狀態(tài)的詳細(xì)描述和對(duì)未來(lái)0至2小時(shí)天氣變化的預(yù)測(cè)。

“2024年6月18日，中國(guó)氣象局發(fā)布‘風(fēng)雷’系統(tǒng)，借此更高效、更準(zhǔn)確地讓人們提前防范，更好地保障生命財(cái)產(chǎn)安全。”第十四屆全國(guó)人大代表、中國(guó)氣象局強(qiáng)對(duì)流天氣重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家鄭永光告訴《瞭望東方周刊》。

一顯身手

近年來(lái)，我國(guó)天氣雷達(dá)覆蓋率、精細(xì)度和時(shí)空分辨率不斷提高，成為強(qiáng)天氣臨近預(yù)報(bào)/預(yù)警的有力支撐。據(jù)鄭永光介紹，目前，我國(guó)正在布網(wǎng)建設(shè)的S、C 和X 波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)，提高了對(duì)流系統(tǒng)中降水粒子的相態(tài)識(shí)別能力。有了這些信息，“風(fēng)雷”才能一展身手。

6月27日下午1時(shí)許，天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)到河北省張家口市一帶有雷雨云，“風(fēng)雷”預(yù)測(cè)其由西北向東南方向移動(dòng)。隨后，北京市氣象臺(tái)發(fā)布雷電藍(lán)色預(yù)警信號(hào)：27日20時(shí)，北京市大部分地區(qū)有雷陣雨天氣，局地短時(shí)雨強(qiáng)較大，并伴有7級(jí)左右短時(shí)大風(fēng)。

中央氣象臺(tái)首席預(yù)報(bào)員張濤表示，從當(dāng)時(shí)的雷達(dá)圖上看，雷雨一定會(huì)影響北京市西北部山區(qū)，如延慶。但翻過(guò)山區(qū)往南，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析方式則難以準(zhǔn)確預(yù)判。

“天氣涉及溫度、氣壓、濕度和風(fēng)等物理屬性，而預(yù)報(bào)是根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒進(jìn)行計(jì)算?！睆垵庹f(shuō)道，天氣預(yù)報(bào)無(wú)法百分百準(zhǔn)確，只能有限探測(cè)和近似計(jì)算。

事實(shí)上，“風(fēng)雷”在正式發(fā)布之前就已露身手。5月30日上午，北京市內(nèi)艷陽(yáng)高照，“風(fēng)雷”的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)卻顯示下午有分散性短時(shí)雷陣雨，并伴有大風(fēng)。北京市氣象局實(shí)行分區(qū)預(yù)警，針對(duì)當(dāng)天天氣情況，北京市延慶區(qū)氣象局在12時(shí)45分率先發(fā)布雷電藍(lán)色預(yù)警，提示伴有大風(fēng)和小冰雹，隨后發(fā)布了大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警。

14時(shí)許，北京市多個(gè)區(qū)域天空驟然變得陰沉，白晝瞬間轉(zhuǎn)為黑夜，迎來(lái)了疾風(fēng)驟雨。延慶最先出現(xiàn)降雨，風(fēng)雨幾乎同時(shí)降臨，隨后，昌平、石景山、密云、海淀、西城，一時(shí)間大雨如傾盆般傾瀉而下……

據(jù)鄭永光介紹，此次預(yù)報(bào)是對(duì)“風(fēng)雷”的測(cè)試?！啊L(fēng)雷’不僅將預(yù)測(cè)時(shí)間提前了60分鐘左右，還準(zhǔn)確描繪了強(qiáng)颮線的組織形態(tài)、發(fā)展過(guò)程，為我們爭(zhēng)取了應(yīng)對(duì)災(zāi)害性天氣的寶貴時(shí)間?！编嵱拦庹f(shuō)。

“2024年汛期，在對(duì)北京強(qiáng)對(duì)流天氣的多次預(yù)報(bào)中，‘風(fēng)雷’亦表現(xiàn)良好，一般能提前1個(gè)小時(shí)給出颮線形態(tài)的預(yù)測(cè)?！编嵱拦庹f(shuō)。

2024年暑期，遼寧省多地出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降水，當(dāng)?shù)貧庀缶忠搿帮L(fēng)雷”，通過(guò)“閃信”發(fā)布預(yù)警信號(hào)，對(duì)未來(lái)3小時(shí)的天氣每12分鐘外推一次，精準(zhǔn)指導(dǎo)了沈陽(yáng)、鞍山、遼陽(yáng)、盤(pán)錦等地區(qū)提前預(yù)警，平均提前時(shí)間達(dá)到了130分鐘。

全流程預(yù)報(bào)

我國(guó)氣象部門(mén)開(kāi)展強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，始于2004年。2009年3月，國(guó)家氣象中心（中央氣象臺(tái)）成立強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)中心，專(zhuān)職負(fù)責(zé)強(qiáng)對(duì)流天氣業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和研究。如今，中央氣象臺(tái)已建立起強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)報(bào)、檢驗(yàn)和災(zāi)害調(diào)查等一系列完整的客觀技術(shù)支撐、業(yè)務(wù)和流程，并實(shí)時(shí)或定時(shí)發(fā)布監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、提前量和精細(xì)化水平穩(wěn)步提高。

據(jù)鄭永光介紹，“風(fēng)雷”使用我國(guó)累積7 年的雷達(dá)資料，構(gòu)建了一套“數(shù)據(jù)—算力—平臺(tái)”全流程臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，能在3分鐘內(nèi)生成未來(lái)0至3小時(shí)、逐6分鐘的雷達(dá)回波產(chǎn)品，將強(qiáng)回波預(yù)報(bào)技巧提升25%。

“對(duì)流生消（對(duì)流風(fēng)暴的形成和消亡）是短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中長(zhǎng)期存在的難題。以前，我們只能線性外推預(yù)報(bào)對(duì)流的狀態(tài)；如今，‘風(fēng)雷’應(yīng)用深度學(xué)習(xí)和生成式人工智能技術(shù)，將物理模型和人工智能有機(jī)融合，在預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和細(xì)節(jié)豐富性上實(shí)現(xiàn)了突破?！编嵱拦庹f(shuō)。

值得注意的是，短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的發(fā)展離不開(kāi)觀測(cè)技術(shù)的提升和觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)。精密的觀測(cè)網(wǎng)可提供寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)是發(fā)展短時(shí)臨近預(yù)報(bào)新技術(shù)和新方法的基石。目前，中國(guó)氣象局已研發(fā)出短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)SWAN3.0。該系統(tǒng)集成了雙偏振雷達(dá)、X波段雷達(dá)、衛(wèi)星、自動(dòng)氣象站等多源精細(xì)觀測(cè)資料，運(yùn)用了智能識(shí)別和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，在國(guó)、省、市、縣四級(jí)氣象部門(mén)共享落地，成為氣象部門(mén)防范應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的重要工具。

仍有制約

我國(guó)位于東亞季風(fēng)區(qū)，冷暖、干濕空氣交匯頻繁，暖季對(duì)流系統(tǒng)活躍，常產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)、龍卷風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。這些天氣突發(fā)性強(qiáng)、尺度小、演變快，同時(shí)致災(zāi)性強(qiáng)，易造成重大人員傷亡。

因此，短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警尤為重要。遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心副主任王瀛稱(chēng)，通過(guò)該省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警發(fā)布一體化平臺(tái)，預(yù)警信號(hào)可在5分鐘內(nèi)由省傳到市、縣氣象部門(mén)，電話叫應(yīng)地方政府，并向公眾發(fā)布。

“短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的信息直達(dá)最前線、最基層的防汛責(zé)任人，是確保防災(zāi)、減災(zāi)成功的‘最后一道防線’?！备＝ㄊ庀缶质紫?wù)專(zhuān)家黃志剛表示。

然而，“在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域，要做到精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，我們?nèi)悦媾R多方面制約。首先，部分氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、觀測(cè)難以全覆蓋，直接影響了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性；其次，受限于當(dāng)前的技術(shù)水平，重要的物理規(guī)律和新數(shù)據(jù)尚未被納入人工智能大模型計(jì)算，影響了‘風(fēng)雷’的預(yù)報(bào)能力；最后，受限于算力，我們尚未訓(xùn)練出更大、更復(fù)雜的模型來(lái)捕捉更多的天氣特征。”鄭永光說(shuō)。

如今，我國(guó)強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較五年前提升了10%以上，已從無(wú)到有構(gòu)建了針對(duì)龍卷風(fēng)的預(yù)報(bào)技術(shù)體系?！凹幢闶敲绹?guó)這種擁有豐富歷史資料和數(shù)據(jù)的發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)龍卷風(fēng)的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)空?qǐng)?bào)率也高達(dá)七成以上，即每發(fā)出10次龍卷風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警，便有至少7次未發(fā)生?！编嵱拦獗硎?。

“我們期望未來(lái)的大模型能充分發(fā)揮綜合多源數(shù)據(jù)的預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)，短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確?！编嵱拦庹f(shuō)。