科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 都 芃
幾場(chǎng)秋雨下過(guò)，全國(guó)多地陸續(xù)進(jìn)入了秋高氣爽的金秋時(shí)節(jié)，如今正是外出郊游、登高賞秋的絕佳時(shí)期。
秋季雖然氣候宜人，卻也暗藏變數(shù)，一場(chǎng)大風(fēng)便可以讓氣溫“一秒入冬”。出行前，打開(kāi)手機(jī)中的天氣預(yù)報(bào)軟件查看一下天氣，已經(jīng)成為人們出行前的必備環(huán)節(jié)。只需輕輕滑動(dòng)頁(yè)面，近至隨后幾個(gè)小時(shí)、遠(yuǎn)至十余天后的天氣狀況，都盡在掌握。
在這些人們能看到的氣溫、降水量、風(fēng)力等天氣數(shù)據(jù)背后，還有人們看不到的氣象“黑科技”。這些不斷發(fā)展的氣象科技手段，正在悄悄地改變著天氣預(yù)報(bào)。
把氣象數(shù)據(jù)放進(jìn)“榨汁機(jī)”里
在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域，有一個(gè)看似是常識(shí)，但卻很容易被大眾忽視的事情：天氣預(yù)報(bào)雖然是對(duì)未來(lái)天氣的預(yù)報(bào)，但預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)是監(jiān)測(cè)當(dāng)下的天氣。
國(guó)家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室副主任曹勇告訴科技日?qǐng)?bào)記者，所有對(duì)于未來(lái)天氣的預(yù)測(cè)都要從當(dāng)下的天氣情況出發(fā)，準(zhǔn)確收集當(dāng)下的天氣數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報(bào)工作的第一步。收集數(shù)據(jù)需要依賴各類氣象觀測(cè)設(shè)施，比如人們?cè)诠珗@、草坪等戶外場(chǎng)所經(jīng)常能看到的百葉箱，就是最常見(jiàn)的地面氣象觀測(cè)設(shè)施之一——自動(dòng)氣象站。要想天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，氣象觀測(cè)設(shè)施就要布置得足夠密集。
曹勇告訴記者，僅北京便大約分布了500個(gè)自動(dòng)氣象站，收集來(lái)自城市各個(gè)角落的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度等氣象信息。除了常見(jiàn)的自動(dòng)氣象站，氣象觀測(cè)設(shè)施還有放飛的探空氣球、飛翔在我們頭頂上空的氣象衛(wèi)星以及部署在眾多城市的天氣雷達(dá)等。
有了原始的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)得出預(yù)測(cè)結(jié)果，是天氣預(yù)報(bào)中的關(guān)鍵問(wèn)題。
“很早以前，我們用的是外推法，就是根據(jù)氣象演變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)具有一定連續(xù)性的原則，通過(guò)把當(dāng)前的天氣趨勢(shì)外延一段時(shí)間，進(jìn)而得出預(yù)報(bào)結(jié)果?！辈苡卤硎荆馔品ǖ念A(yù)報(bào)精準(zhǔn)度往往較為有限，如今要實(shí)現(xiàn)更加精確的天氣預(yù)報(bào)就要依賴超級(jí)計(jì)算機(jī)和預(yù)報(bào)模型。
“原始的氣象數(shù)據(jù)就像是原材料，超級(jí)計(jì)算機(jī)和預(yù)報(bào)模型就像是‘榨汁機(jī)’。我們把原材料全都投入到‘榨汁機(jī)’中，經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算去偽存真、去粗存精。在經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)推演后，我們就能得到一個(gè)相對(duì)精確的預(yù)報(bào)結(jié)果。”但曹勇也表示，即使是超級(jí)計(jì)算機(jī)也存在一定的誤差，這時(shí)就需要發(fā)揮預(yù)報(bào)員的關(guān)鍵性作用。他們會(huì)依據(jù)長(zhǎng)期以來(lái)積累的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，從而使天氣預(yù)報(bào)更加精準(zhǔn)。
百米級(jí)、分鐘級(jí)預(yù)報(bào)成為現(xiàn)實(shí)
在2022年北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)開(kāi)賽的第一天，比賽還未正式開(kāi)始，天氣預(yù)報(bào)服務(wù)團(tuán)隊(duì)就面臨了一次考驗(yàn)——判斷現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速是否適宜比賽。經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎研判，該團(tuán)隊(duì)最終對(duì)未來(lái)天氣給出了判斷：當(dāng)天中午到下午賽道上的風(fēng)速較大，第二天風(fēng)速會(huì)明顯減小。工作人員基于這一信息，決定將當(dāng)日的比賽調(diào)到次日舉行。事后觀測(cè)表明，當(dāng)天下午的天氣情況果然與預(yù)報(bào)結(jié)果一致。
曹勇告訴記者，目前我國(guó)能夠?qū)崿F(xiàn)的氣象預(yù)報(bào)精度在部分地區(qū)可以達(dá)到公里級(jí)甚至百米級(jí)，而在時(shí)間尺度上則可以實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)預(yù)測(cè)。
“比如，在2022年北京冬奧會(huì)舉辦期間，我們的氣象預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)可以準(zhǔn)確給出賽場(chǎng)范圍內(nèi)精確到分鐘級(jí)的，涵蓋氣溫、濕度、風(fēng)速等關(guān)鍵信息的天氣預(yù)報(bào)?！辈苡卤硎荆獙?shí)現(xiàn)如此高精度的氣象預(yù)報(bào)，首先就要在監(jiān)測(cè)上下功夫：要提升監(jiān)測(cè)密度、進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)。這是精細(xì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，2022年北京冬奧會(huì)的三個(gè)賽區(qū)就布置了400多套氣象觀測(cè)設(shè)施。
要實(shí)現(xiàn)高精度的天氣預(yù)報(bào)，不僅數(shù)據(jù)要更加豐富、準(zhǔn)確，用來(lái)進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)的“榨汁機(jī)”也要足夠“高精尖”。
“如果我們希望對(duì)某一個(gè)局部地區(qū)進(jìn)行高精度的天氣預(yù)報(bào)，那么我們就可以針對(duì)這一區(qū)域的實(shí)際情況，單獨(dú)搭建一個(gè)更加精密且貼合區(qū)域?qū)嶋H特點(diǎn)的預(yù)測(cè)模型，這樣就會(huì)得出更加準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)然，這需要?dú)庀笥^測(cè)團(tuán)隊(duì)、預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)以及研發(fā)團(tuán)隊(duì)之間的密切合作?！辈苡卤硎尽?/p>
高精度的天氣預(yù)測(cè)，絕不是重大賽事活動(dòng)的專屬，它也在逐步走進(jìn)你我的日常生活。智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)，就是這樣的產(chǎn)品。
曹勇介紹，過(guò)去的天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要以站點(diǎn)預(yù)報(bào)為主，比如北京市的天氣情況就只用幾個(gè)站點(diǎn)的天氣來(lái)代表，這對(duì)于地域范圍較大的城市來(lái)說(shuō)顯然不全面?！坝袝r(shí)候可能海淀區(qū)在下雨，朝陽(yáng)區(qū)卻沒(méi)下。如果僅用幾個(gè)站點(diǎn)來(lái)代表整個(gè)北京的天氣情況，大家就會(huì)覺(jué)得我們的預(yù)報(bào)不準(zhǔn)。”曹勇說(shuō)。
他進(jìn)一步解釋道，智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)是將城市劃分為一個(gè)個(gè)更加細(xì)密的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格都有單獨(dú)的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。當(dāng)人們攜帶智能手機(jī)進(jìn)入到不同網(wǎng)格時(shí)，手機(jī)便會(huì)接收到關(guān)于這一網(wǎng)格內(nèi)的天氣情況，其預(yù)測(cè)精度相比過(guò)去的站點(diǎn)預(yù)報(bào)得到了較大程度的提升。
每部手機(jī)都是一個(gè)微型氣象站
從過(guò)去守在電視機(jī)前觀看天氣預(yù)報(bào)節(jié)目，到如今在手機(jī)上隨時(shí)隨地查看任一時(shí)間的天氣狀況，天氣預(yù)報(bào)技術(shù)每一次的進(jìn)步背后，都離不開(kāi)多種“硬核”觀測(cè)科技手段的有力支撐。
曹勇表示，近年來(lái)我國(guó)的氣象觀測(cè)技術(shù)有了顯著提升，比如在2016年發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星就大大提升了我國(guó)的氣象觀測(cè)能力。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星目前共有A星、B星兩顆星在軌運(yùn)行，曹勇介紹道，風(fēng)云四號(hào)B星的觀測(cè)分辨率已經(jīng)可以達(dá)到百米級(jí)，它甚至能夠“看”清楚云層中的對(duì)流泡。
不僅觀測(cè)分辨率大幅提升，過(guò)去風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星傳回一張衛(wèi)星云圖需要半個(gè)小時(shí)，如今的風(fēng)云四號(hào)A星則只需要5分鐘，甚至在觀測(cè)重點(diǎn)局部地區(qū)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)1分鐘傳回一張圖。
“借助風(fēng)云四號(hào)，我們可以密集獲得衛(wèi)星云圖，將這些圖片連起來(lái)看，就像是看高幀率的電影，非常流暢?！辈苡卤硎?，目前我國(guó)的氣象衛(wèi)星已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，進(jìn)入與該領(lǐng)域領(lǐng)先國(guó)家“并跑”的階段。
不僅氣象衛(wèi)星技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，我國(guó)的天氣雷達(dá)也正在進(jìn)行全新的技術(shù)升級(jí)改造。天氣雷達(dá)通過(guò)發(fā)射電磁波照射大氣中的水粒子，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷暴、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。
曹勇介紹，目前我國(guó)已部署了200余部天氣雷達(dá)，單部雷達(dá)的有效觀測(cè)半徑能夠達(dá)到200多公里，在我國(guó)人口密集的中東部地區(qū)已基本實(shí)現(xiàn)無(wú)死角覆蓋。當(dāng)前，氣象部門正在對(duì)現(xiàn)有的天氣雷達(dá)進(jìn)行雙偏振改造，經(jīng)過(guò)改造的雙偏振天氣雷達(dá)，能夠更加準(zhǔn)確地描述降水粒子的尺寸和形狀、降水類型及分布情況，更好地識(shí)別氣象回波，濾除異?；夭ǎ瑢⒂行岣邔?duì)雷暴大風(fēng)、暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。
除了這些“硬核”的觀測(cè)手段，曹勇還提到，如今氣象觀測(cè)中還出現(xiàn)了一個(gè)新分支——社會(huì)化氣象觀測(cè)。
“每個(gè)人的手機(jī)中都有可測(cè)量氣壓、溫濕度的設(shè)備，每部手機(jī)就相當(dāng)于一個(gè)微型氣象站，可以用來(lái)收集氣象數(shù)據(jù)?！辈苡抡J(rèn)為，雖然手機(jī)收集的數(shù)據(jù)可能相對(duì)“粗糙”，但其優(yōu)勢(shì)在于量大。未來(lái)隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到氣象預(yù)測(cè)中，社會(huì)化氣象觀測(cè)所產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，或許能成為預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)來(lái)源的有力補(bǔ)充，為實(shí)現(xiàn)更加智能化、精準(zhǔn)化的天氣預(yù)報(bào)提供有效支撐。
算法、預(yù)測(cè)過(guò)程不同造成天氣App預(yù)報(bào)差異
當(dāng)我們打開(kāi)手機(jī)上的天氣預(yù)報(bào)軟件（App）時(shí)，我可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使是在同一地區(qū)、同一時(shí)段，不同天氣預(yù)報(bào)軟件查看到的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果也不盡相同，那這是為什么呢？
對(duì)此，國(guó)家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室副主任曹勇表示，其主要原因在于，不同天氣預(yù)報(bào)軟件的信息獲取平臺(tái)不一致。
“不同天氣預(yù)報(bào)平臺(tái)所使用的算法、預(yù)測(cè)過(guò)程等都不一致，比如有的軟件用的是國(guó)外預(yù)報(bào)平臺(tái)對(duì)我國(guó)地區(qū)進(jìn)行天氣預(yù)測(cè)的結(jié)果，這可能就和國(guó)內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果有差異?！辈苡陆ㄗh道，我國(guó)公眾最好以中央氣象臺(tái)以及各省市氣象臺(tái)發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果為準(zhǔn)，“這些氣象臺(tái)代表了我國(guó)天氣預(yù)報(bào)的最高水平，能夠提供最權(quán)威、可靠的氣象參考”。
