天气预报迎来变革

史佳庆

天气预报工作与人们的日常生活息息相关，及时又精准的天气预测可以帮助人们应对自然天气灾害、创造更多经济效益。近年来，全球范围内的极端天气事件呈现增多、增强、时空分布复杂多变等趋势，加大了天气预报工作的难度。

随着大数据和人工智能的发展，海量数据深度学习和复杂神经网络等技术落地的应用，人工智能预报天气已成为现实。

“气象领域拥有海量的精密观测数据，人工智能（AI）是典型的数据模型，在气象领域能发挥重要作用，可使预报预测能力得到很大提高。”武汉大学校长、中国科学院院士张平文告诉《瞭望东方周刊》。

当气象服务遇到人工智能，会碰撞出怎样的火花？

目前，人工智能不仅能对高温、冰雹、暴雨等极端天气拥有特征识别和預测能力，在决策气象服务方面亦可以就灾情、天气预报、气象灾害预警等作出详细通报。

不惧海量数据

随着观测卫星、雷达和传感器网络持续不断产生大量数据，如何处理海量的、多种多样的气象资料成为天气预报的一个挑战。

上海中心气象台技术开发科科长储海告诉《瞭望东方周刊》，对于气温这样相对基础的预报而言，上海智能预报客观产品已可以将预报网格分辨率精细到1公里，并能实现最快每10分钟更新一次。

“在2022年的极端酷热天气中，人工智能的预报表现得尤为突出。比如，针对未来24小时的最高气温预报，月平均误差从原来的2℃降低到现在的1℃以内。”储海说。

值得关注的案例还有，2022年7月20日，中央气象台首次成功预报龙卷风，并于14时发布强对流天气黄色预警。

对此，国家气象中心强天气预报中心副主任杨波表示，中国龙卷风预报存在观测难、基础理论研究不足、预报难和样本基数少等情况。为了准确预测龙卷风，国家气象中心基于机理认知建立了龙卷风天气识别、诊断分析、临近预警和短时短期潜势预报技术，首次在国内形成了完整的龙卷风预报预警技术体系。

目前，人工智能不仅能对高温、冰雹、暴雨等极端天气拥有特征识别和预测能力，在决策气象服务方面亦可就灾情、天气预报、气象灾害预警等作出详细通报。

上海气象部门的人工智能已取得不少成果。

“自2021年，上海引入决策气象服务写稿AI系统以来，AI每天都会对天气的风云变化，尤其是灾情、天气预报、气象灾害预警等信息作出详细通报，大大提升了气象部门决策服务的工作效率，例如在台风影响期间，AI可以定时发出一篇“台风气象快讯”，内容除了包含台风最新动态（强度、位置等）、对上海的风雨影响实况和产生的灾情外，还能根据台风最新定位，测算出其与上海地区的精确距离，以及未来不同时效的风雨预报，为决策部门快速提供精细服务。另外，决策部门也可通过AI的用户自定义功能，根据各自需求，对产品内容、预报时效、产品形式等进行定制化设置，让AI写一份‘独一无二的个性化决策气象服务稿件。”储海告诉《瞭望东方周刊》。

精度更高，更新更快

据介绍，早在2017年，上海气象部门的预报团队就引入了人工智能。有了人工智能，计算机模型对长时记忆具备更大容量，能使雷达回波推算时长延长至2小时，让预报员在暴雨等强对流天气面前应对自如。

“相较传统方法，人工智能在资料处理、分类问题解决、统计回归上具有优势，部分成熟算法可直接应用于观测、预报、服务，能够大幅提高传统预报的精细和精准水平。”储海称，“学习了双偏振多普勒雷达观测所刻画的强对流天气历史演变特征后，人工智能不仅可以给出降雨强度，还能快速、准确地‘画出降雨集中区域。”

“上海中心气象台与复旦大学计算机学院合作，发展了基于星型网络的雷达外推模型和基于时空尺度自适应的模式降水订正模型，能够对短时强对流系统的生消演变和短期模式降水预报的位置及强度误差进行订正。比如，在‘4·30强对流过程中，上海利用卫星多通道数据建立冰雹云识别和最大直径估算的神经网络模型，对冰雹天气现象进行了较好的识别，而降水预测深度学习模型对后期上海西南部对流的再次新生发展作出了预报，为预警的继续发布提供了依据。”储海告诉《瞭望东方周刊》。

5月11日，无锡市防汛防台秒响应系统服务模块展示

此前，在北京冬奥会赛场，得益于北京大学重庆大数据研究院开发的人工智能MOML算法赋能天气预报模型，气象短时临近预报“百米级尺度、分钟级更新”已经实现。

2023年4月8日，上海人工智能实验室联合中国科学技术大学、上海交通大学、南京信息工程大学、中国科学院大气物理研究所及上海中心气象台发布全球中期天气预报大模型“风乌”。

上海人工智能实验室青年科学家白磊表示，“风乌”提供了一个强大有效的全球中期天气预报的人工智能框架，其领先性体现在预报精度、预报时效和资源效率三方面。

据称，在预报精度方面，“风乌”的10天预报误差降低10.87%，而相比于传统的物理模型，误差降低了19.4%。

未来前景广阔

人工智能技术在气象预报领域发挥越来越重要的作用。为推进智慧气象行业发展，我国出台了多项相关政策。

2022年，国务院印发《气象高质量发展纲要（2022—2035年）》，明确要求推进气象服务数字化、智能化转型，发展基于场景、基于影响的气象服务技术，研究构建气象服务大数据、智能化产品制作和融媒体发布平台，发展智能研判、精准推送的智慧气象服务。

上海中心气象台基于深度学习的强降水预测模型结构图

中国气象局党组书记、局长陈振林表示，人工智能是引领科技革命和产业变革的战略性技术，发展人工智能是世界科技革命的必然趋势、中国式现代化建设的必要举措、实现气象高质量发展的内在要求，气象部门要顺应时代潮流，牢牢把握人工智能新科技革命浪潮，加快推进人工智能技术在气象领域全面、系统、深入融合应用。

目前，气象领域仍然存在极端天气事件预报不准确的难题。

储海认为，数据短缺是天气预报发展的首要挑战。比如，对冰雹、龙卷风这样小尺度的天气，往往只有经过人工观测才会被记录下来，可供机器学习的数据很少。他建议，“人工智能研究人员与气象部门加强合作，进行长时间的讨论与磨合。”

在张平文看来，把人工智能广泛应用到气象领域，其机理与数据的融合计算非常具有挑战性。“比如，人工智能如何应用于求解数值天气预报模式的物理基础Navier-Stokes方程等，气象领域在这方面的算法研究还比较缺乏。”

展望未来，张平文充满信心：“人工智能在气象领域的应用，不仅将给人们提供更精准的预报服务，还将给气象行业甚至整个大气科学带来变革。”