圖片來源@視覺中國
文｜甲子光年，作者｜王博
“我們已經做好準備了。”
一位福建漳州的網友在社交媒體上展示了全套的防臺風裝備，她不僅給窗戶貼上了膠帶，還用木板和木棍牢牢抵住了窗戶。盡管做了這些準備，但是她還是有些擔心地說：“希望有用吧。”
在廈門市湖里區長樂三期小區，小區門口的擴音器不斷播放著防臺風注意事項，小區的樹葉掉落區和外墻脫落區也拉起了安全警戒線，以防居民靠近發生危險。
當地居民嚴陣以待的，就是今年第5號臺風“杜蘇芮”。
而在距離廈門2000多公里的北京，自從7月21日“杜蘇芮”生成后，中央氣象臺的預報員們就在密切關注臺風的移動路徑，并發布預報和預警信息。
“預警發出去，通常就睡不著了，就算已經下班，也會隨時盯著看臺風到底在哪里登陸。”國家氣象中心臺風與海洋氣象預報中心首席預報員高拴柱在接受中國氣象報社記者采訪時說。
7月24日，中央氣象臺發布預報信息，“杜蘇芮”將于28日上午登陸，最大可能在福建中南部沿海登陸。7月27日，中央氣象臺繼續發布預報信息，“杜蘇芮”將于28日早晨到上午登陸，最大可能在福建東山到惠安沿海登陸（強臺風級或超強臺風級）。
“尤其是自己做的預報，很想知道有沒有報準，那種心情就跟等待考試成績出來一樣。”高拴柱說。
據中央氣象臺監測，“杜蘇芮”的中心在7月28日9時55分前后在福建晉江沿海登陸，登陸時中心附近最大風力50米/秒，強度為強臺風級。晉江就在東山到惠安之間。
臺風預報從來都不是一件容易的事情。
在百度“臺風吧”中，有網友對比了國內外專業氣象機構發布的“杜蘇芮”預報，光是登陸地點，就有廣東、福建、浙江等多個版本。而AI氣象大模型在臺風預報中的表現也是近期“臺風吧”內熱議的話題之一，其中一款國產氣象大模型關于“杜蘇芮”路徑的預報圖被吧友頻繁引用，該大模型除了在“杜蘇芮”產生之初預測的登陸地有些偏差外，后續預測的登陸地就一直是福建。
國產氣象大模型也得到了“國家隊”的認可。根據中國氣象報社的報道，國家氣象中心臺風與海洋氣象預報中心在“杜蘇芮”影響期間，就與浦江實驗室、華為公司聯合開展了人工智能大模型試驗，在臺風預報中應用了“風烏”“盤古大模型”。
當一些AI大模型的應用走出PPT，它們可能沒有出現在熱搜、頭條中，甚至不容易被大眾感知，但是它們提供了專業的工具，提高了分析速度和精度，創造了經濟價值，甚至挽救了生命。
捉摸不定的臺風
“杜蘇芮”路徑預報 圖片來源：香港天文臺
7月21日“杜蘇芮”生成后，香港天文臺給出過一版路徑預報，“杜蘇芮”登陸華東或是華南都存在一定可能性。有網友基于這張圖調侃，“這范圍像老師給劃的重點，第一頁到最后一頁”。
調侃歸調侃，其他國家或地區的專業氣象機構預測的“杜蘇芮”路徑也存在差異，臺風預測需要經過反復研判分析，不斷根據最新監測數據，滾動訂正預測結果。
“杜蘇芮”本身也很特殊，一路上拐了多個直角彎，多次沖上“熱搜”。此前，中央氣象臺專家在分析“杜蘇芮”的情況時坦言，“杜蘇芮”移動路徑不確定性大，具體登陸位置很難確定，強度變化也需要再三分析。
“杜蘇芮”路徑圖 圖片來源：中央氣象臺·臺風網
回顧歷史，1986年的“韋恩”、1991年的“納德”以及2001年的“百合”，都是路徑較為曲折的臺風，有的甚至可以用“貪吃蛇”般的走位來形容，這給臺風預報帶來了很多不確定性。
將臺風預報的不確定性降到最低，是各家專業氣象機構的目標。臺風預報路徑越準確，相關地區的防范措施越及時、有效，臺風對人的傷害就會越小。從經濟角度來看，2017年發表的《登陸熱帶氣旋路徑和強度預報的效益評估初步研究》一文就指出，對于登陸中國大陸的臺風，24小時路徑預報誤差每減小1千米，可減少因災直接經濟損失約0.97億元。
但是，減少臺風預報的不確定性是一個長期且緩慢的過程。《自然》（Nature）雜志在2015年刊載的《數值天氣預報的寂靜革命》（The quiet revolution of numerical weather prediction）一文就指出，囿于氣象觀測的準確度，大氣系統中物理過程的復雜性，以及求解大氣模型所需資源規模巨大，全球中期天氣預報的有效性每10年才提高1天。
根據中國氣象局、日本氣象廳、美國聯合臺風警報中心等專業氣象機構的評估報告，從1990年到2020年，西北太平洋臺風路徑預報能力進步顯著，2020年的72小時預報已達到上世紀90年代初的24小時預報水平，可預報時效延長了整整2天。但是，各機構的評估結果還表明，臺風路徑預報誤差的減小趨勢在近幾年明顯減緩。這引發了學術界對臺風路徑預報是否已接近可預報性極限的關注。
上海臺風研究所余暉研究員團隊2022年初在美國氣象學會會刊BAMS上發表文章指出，從1990年到2020年，西北太平洋臺風路徑預報技術的發展經歷了三個階段，每個階段歷時約10年。
余暉在文中同時表示，假設過去十年的發展趨勢能繼續保持，預計將在2035年前后達到由當前臺風位置觀測能力所決定的預報極限。
那么，臺風路徑預報是否已接近可預報性極限？還有沒有方式可以提高臺風預報的準確性？
從數值預報到AI預報
變化已經發生。
2023年7月6日，《自然》(Nature)雜志正刊發表了華為云盤古大模型研發團隊研究成果——《三維神經網絡用于精準中期全球天氣預報》（Accurate medium-range global weather forecasting with 3D neural.NETworks）。數據顯示，這是近年來中國科技公司首篇作為唯一署名單位發表的《自然》正刊論文。
《自然》審稿人對該成果給予高度評價：“華為云盤古氣象大模型讓人們重新審視氣象預報模型的未來，模型的開放將推動該領域的發展。”
華為云盤古氣象大模型研究成果在《自然》(Nature)雜志正刊發表 圖片來源：《自然》(Nature)雜志
今年4月7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”。
“風烏”取名自秦漢時期的“相風銅烏”，是世界上最早的測風設備。
在2023世界人工智能大會上，這兩款大模型也受到了關注。尤其在華為云盤古氣象大模型團隊的論文登上《自然》（Nature）雜志的消息傳開后，很多人慕名來到華為云盤古氣象大模型的展位了解情況，在展位負責講解的工作人員告訴「甲子光年」：“今年5月，在臺風‘瑪娃’的路徑預報中，華為云盤古氣象大模型就在應用了，提前五天預報出‘瑪娃’的轉向路徑。”
同樣在大會上，上海人工智能實驗室方面也介紹，“風烏”對臺風“瑪娃”進行了準確的軌跡預報。
AI氣象大模型預報似乎有超過傳統的數值天氣預報（numerical weather prediction）之勢。
數值天氣預報是指根據大氣實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機作數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法。
近三十年來，隨著算力的迅速發展，數值天氣預報在每日天氣預報、極端災害預警、氣候變化預測等領域取得了巨大的成功。但是隨著算力增長的趨緩和物理模型的逐漸復雜化，傳統數值預報的瓶頸日益突出：一方面，傳統數值預報對算力的消耗非常大；另一方面，復雜的參數化物理模型始終是不完備的。
中國氣象學會副理事長、國防科技大學氣象海洋學院教授費建芳表示，近10年來，臺風路徑預報準確率穩步提升，而強度預報準確率提升較為緩慢，主要是數值模式對海洋響應過程的描述還不夠準確。“提高臺風預報水平，實現科學減災，迫切需要進一步深入研究臺風影響下的多尺度海氣相互作用過程，研發準確考慮海氣相互作用過程的海氣耦合數值預報系統。”費建芳說。
近年來，研究者們開始嘗試引入AI大模型來進行氣象預報。
2021年，華為云提出要打造針對氣象領域的垂直行業大模型，但是在研發初期，團隊發現AI預報的精度無法超越數值預報方法，這讓其大模型的發展一度陷入瓶頸。
華為云研發團隊發現，AI氣象預報模型的精度不足主要有兩個原因：第一，原有的AI氣象預報模型都是基于2D神經網絡，無法很好地處理不均勻的3D氣象數據；第二，AI方法缺少數學物理機理約束，因此在迭代的過程中會不斷積累迭代誤差。
為此，團隊創造性地提出了適應地球坐標系統的三維神經網絡（3D Earth-Specific Transformer）來處理復雜的不均勻3D氣象數據，并且使用層次化時域聚合策略來減少預報迭代次數，從而減少迭代誤差。
在臺風預報領域，原來預測一個臺風未來10天的路徑，需要在3000臺服務器的高性能計算機集群上花費5小時進行仿真。現在基于預訓練的盤古氣象大模型，通過AI推理的方式，只需1臺服務器、1卡配置、10秒時間，就可以獲得更精確的預測結果。
華為云盤古氣象大模型方面表示，通過在43年的全球天氣數據上訓練深度神經網絡，盤古氣象大模型在精度和速度方面超越傳統數值預測方法。例如，在熱帶風暴預測任務中，盤古氣象大模型的預測精度顯著超過歐洲氣象中心的高精度預報（ECMWF HRES Forecast）結果。
但是，去年11月，在社交媒體上，曾有氣象專家質疑其有過度宣傳之嫌。對此，華為云盤古氣象大模型論文創作團隊成員解釋：“我們將NWP（數值天氣預報）限定為‘基于同化數據進行預測的方法’，而不是指代‘整個數值氣象預報領域’。盤古確實首次在同化數據上超越了傳統方法，我們使用了與英偉達FourCastNet完全相同的測試環境，確保對比的公平性和結論的可信度。”
對于AI和傳統數值預報的關系，上海人工智能實驗室在其官網文章中表達了觀點：實踐證明，將觀測與數值預報和人工智能相結合，可有效提升數值預報的準確性。由于不需要通過復雜的物理系統仿真，AI氣象預報模型突破了傳統預報方法的計算瓶頸，因此能夠高效地進行預報和集成。
AI to B已是行業大趨勢，深度融合、優勢互補，為人們生產、生活提供更準確、更實用的信息和分析才是新技術應用的目的。
今年第5號臺風“杜蘇芮”剛剛登陸，第6號臺風“卡努”則已在菲律賓以東洋面上生成。
在下一場臺風來臨之前，相信會有更多人根據預報信息說出：
“我們已經做好準備了。”
參考資料：返回搜狐，查看更多
- *《“捕”臺風的人———走進“杜蘇芮”登陸前的中央氣象臺》，中國氣象報社
- https://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202307/t20230727_5676654.html
- *《專家詳解：“杜蘇芮”系本世紀以來對福建影響最嚴重的臺風之一》，澎湃新聞https://baijiahao.baidu.com/s?id=1772621967125574401
- *臺風路徑預報是否已接近可預報性極限？https://www.sti.org.cn/keyanchengguo/2588.html
- *《華為云盤古氣象大模型研究成果在《Nature》正刊發表》，華為官網https://www.huawei.com/cn/news/2023/7/pangu-ai-model-nature-publish
- *《華為云提出盤古氣象大模型：中長期氣象預報精度首次超過傳統數值方法，速度提升10000倍以上》，盤古氣象大模型團隊https://zhuanlan.zhihu.com/p/582285853
- *《上海人工智能實驗室發布“風烏”大模型，全球氣象有效預報時間首破10天》，上海人工智能實驗室https://www.shlab.org.cn/news/5443382
