人类总着迷于远处的神秘却忽略身边的神奇
你看我这标题叫给地球算命的人大家就过来围观若我换个说法天气预报员吃瓜群众估计立马散去一半因为大伙儿每天都能在电视手机里看见天气预报
但我今天要说的就是天气预报员咳咳你可千万别觉得他们普通不知道你有没有想过一个问题
从本质上来讲天气预报就是预测未来天气预报员的日常就是用科学知识来占卜未来再把结果告诉老百姓帮人们趋吉避凶
如此想来是不是有点科学算命的意思而且是真科学算命
预测未来啊朋友们
著名的哲学家阿甘他妈曾说过生活就像一盒巧克力你永远不知道下一颗的味道生活也用一次次无情耳光告诉我们天有不测风云人有祸福旦夕可偏偏天气预报员就把天上的不测风云给测了还测得相当准简直就是一场现实魔幻
那么问题也来了天气预报是怎么做到精准预测某地几个小时甚至几天后发生的事
带着这个疑问幺哥上周去重庆拜访了当地的气象局本期图文就带大家走近科学揭晓天气预报背后的科技小秘密
天气预报的原理
天气预报自古以来就有但是古代的天气预报跟现代天气预报完全不是一码事在人类9999的历史进程中天气预报都主要靠经验和玄学
比如三国演义里诸葛亮借东风时就先摆个祭坛来一段吹拉弹唱唬住周瑜然后悄悄咪咪看天上的云用自己在南阳耕田时学到的天气知识来判断天气
三国演义片段
由于天气和衣食住行息息相关我国劳动人民很早就总结出了各种口诀用来预测气候和天气变化规律譬如早霞不出门晚霞行千里天上钩钩云地上雨淋淋久晴大雾必雨久雨大雾必晴等等
其他国家也有类似的比如美国有一句谚语叫Redskyatnightsailorsdelight翻译过来是傍晚天气红水手乐无穷
在科学观念形成之前少有人关心口诀背后的气象原理只要管用便代代相传但口诀大法有个大BUG没有量化数据导致它像一些传统中医偏方一样时灵时不灵
比如
天上钩钩云地上雨淋淋到底啥样的叫钩钩云九十度钩70度钩还是耐克钩雨淋淋是多大
雨当
天就下雨还是三天以后下雨早霞不出门晚霞行千里多少霞才算霞稍微有一点霞光算不算我刚刚就在窗外拍到一点红不红黄不黄的霞光能不能行千里呢
随手拍的照片
久晴大雾必雨久雨大雾必晴久是指一个星期还是一个月多大算大雾久晴大霾会不会下雨
傍晚天气红水手乐无穷就更不靠谱了天气红是大红橘红姨妈红还是小粉红对应哪种口红色号水手乐无穷到底是有多乐多穷
这就好比你跟着王师傅学做菜他说加入适量的底油滑锅你根本不知道他的适量是多少他说加入少许白糖你也只能瞎猜同样传统的口诀式天气预报多多少少带着一些猜的味道
直到后来越来越多的气象测量设备出现比如气温计湿度计降水量筒气压计风向风速仪云和能见度探测仪乃至气象雷达和卫星气象观测这才慢慢从定性到定量从模糊到精准
各种现代设备仪器的使用像是给地球做了一个全方位体检各种指标尽收囊中
其中雷达和卫星最为重要重庆市气象局的顾建峰局长告诉我气象卫星和雷达通过发射或接收各种电磁波信号来感知云高云量温度湿度风和空间环境等信息监测降水强对流雷电等天气过程
但如果只是做到精准观测并不足以准确预报天气因为观测和预测是两码事就好比你知道此时股票的价格和各项指标也很难准确预测明天是涨还是跌
同样仪器设备永远只能获得当前时间的气象状态而天气预报员却要预测未来的天气
中国有个成语叫白衣苍狗形容天上的云一会儿像条白衣一会儿像条柯基比喻世事瞬息万变卫星云图和雷达回波图虽然能给地球拍照但谁知道它两个小时两天以后会变成什么样子呢
卫星云图和雷达回波图
在很长一段时间里气象工作者就拿着当前时间的图纸数据靠气象理论和经验来推测之后发生的一切
虽然这比口诀大法要准不少但仍然只能估摸个大概没法做到定时定点定量准确度主要决定于预报员的业务水平
真正带领天气预报跨过分水岭的是一种名叫数值天气预报的预测方法
1904年挪威的科学家贝杰克尼斯提出既然宇宙万物都遵循物理定律那么完全可以用数学方程式来计算推演天上的云水蒸气团风流动的空气等气象要素的变化情况
这套理论其实蛮好理解学过初中物理的浅友大多做过类似这样的题
一个小车的初速度是A受外力状况是B摩擦力是C求D秒后小车的状态和速度
在解这么一道题时你就对小车进行了一次未来推演
天上的云空气山峰这些都可以看作是无数个小车只不过因为演算气象要考虑的因素稍微多一些所以公式也比初中物理题稍微复杂一丢丢
类似这样
呃好像不止复杂一点点
由于计算太复杂这套理论吓跑了所有人一直放了整整十二年直到1916年才有另一位叫理查逊的英国科学家斗胆尝试
他把地图上的空间划分成横竖的棋盘格子一格一格地计算试图推演某个格子的气压变化由于当时计算机还没发明他只能手工计算经过长达6个星期的计算他成功推算出了6个小时后当地气压的预测值对照真实情况一看错得一塌糊涂即使对了也没啥用
但科学精神永不言弃尽管推演失败理查逊依然把经验整理出版他盼望着有一天计算速度提高让这套方法变得切实可行
这一盼就到了三十年后世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC诞生运算速度达到每秒5000次加法运算
世界上第一台通用数字电子计算机
参与研发计算机的科学家冯诺依曼没错就是那位计算机之父很快想到计算机能用来预测天气跑去跟美国军方申请项目又经过四年努力他们终于完成世界上第一次基于计算机推演的数值天气预报轰动整个科学界
可能你已经注意到一件事冯诺依曼申请数值天气预报的科研项目找的不是学校也不是政府而是军方在那个年代天气预报放在任何一个国家都是军事秘密
重庆市气象局的顾建峰局长告诉我早在民国时期国民政府成立的第一个国家级的气象机构中央气象局现址就在重庆的沙坪坝区气象局当时也主要为军队服务
直到改革开放以后我国的经济发展嗖的一下坐上火箭党中央出于经济建设和防灾的考虑才把国家级气象机构从中国人民解放军直属单位转成国务院直属单位在为国防服务的同时也为老百姓谋些福利
不过直到八十年代数值天气预报才开始逐渐被我国各级气象部门普遍使用在此之前国内的主流预测方法还是上文中提到的气象理论分析和经验推测
1980年央视第一版天气预报奏响渔舟唱晚
从那之后我国气象部门又经历了从手绘数值计算气象图到计算机自动化绘图的变迁直到今天人们随时打开手机都能看到精确到小时的天气预报
少有人想到这背后其实是天上地下众多先进设备仪器和科研人员协作的结果
每隔几分钟各处的数据就传输汇集到一起经由计算机推演计算天气预报员分析判断再加工处理成普通人能看懂的天气预报产品最终才呈现在人们面前
天气预报为啥不准
我在气象局溜达参观时拍到这样一张照片
尽管难以达到百分之百的准确我们仍要付出百分之百的努力
很多人吐槽天气预报不准不消说气象部门比谁都更清楚这不是没办法么天气预报既然是预测本就不可能百分之百准确
不过幺哥还是得替他们说句公道话从数据上来看其实现在的天气预报已经能做到超过85的准确度也就是十有八九是准的起码比那些预测楼市股市要准多了
之所以大家觉得天气预报特别不准很大程度上是心理原因天气预报准的时候大家并不会惊呼
可一旦不准就立马成为谈资这才留下特别不准的偏见
不过话说回来为什么天气预报没法做到100准确呢
气象局的一位技术小哥告诉我大气运动是个非常复杂的过程数值天气预报的方程组虽然能演算但毕竟是把实际情况抽象成理想的数学物理模型很难真实而全面地反应大气运动规律
并且数值天气预报用到的原始方程组根本求不出解析解只能求出数值解可以理解为近似值因此会有一定的误差
另外数值天气预报把实际空间划分成一个个方块来计算那么方块内部发生的细微大气变化就没办法反映就像打了马赛克会丢失一部分信息一样
但老天爷可不管你这些蝴蝶效应听说过没一只蝴蝶煽动翅膀都能导致远处的龙卷风所以计算误差也好观测误差也罢都会随着时间推移而不断放大导致截然不同的结果
哎这就是人生呀
小哥瞬间从一位气象学工作者变成了一位哲人
重庆市气象台的技术小哥
天气预报的难度也跟当地的地形地势有关平原地区的天气相对好判断而重庆三面环山大气抵达后很容易形成涡旋就像是原本平静的河水流过石头就容易形成湍流变得难以捉摸
顾建峰局长曾炫耀说中国近现代的大多数气象学大师都是从重庆走出来的我想不排除一个可能重庆复杂的地形让它变成了气象研究者的练兵场使得从这里走出的气象工作者个个都是人才
重庆的地形让暴雨预报变得相对困难
话说回来天气预报的准确度瓶颈有没有可能突破
其实有
顾局长告诉我重庆市气象局最近几年一直和互联网公司合作试图用云计算人工智能等互联网技术提升整体气象服务水准2018年7月他们跟百度智能云签了战略合作框架协议试着用人工智能技术来做天气预报
他说数值天气预报这条路是外国人开辟的如果按照这条老路走超车的难度很大
目前来看热力学动力学的进一步研究都要等待数学和物理学的突破才行可是人类已经将近一百年来在基础数学物理方面上都没有更大的突破了
穷追猛赶的同时重庆市气象局想另开辟一条独立于经典数值天气预报的新跑道而另一边百度智能云的工程师们也想找地方发挥自家的人工智能技术双方一拍即合
AI天气预报的原理和数值天气预报完全不一样它不需要用数学公式去演算直接把以往的气象数据放进AI模型里训练模型就会自动记住各种气象数据和未来一段时间内天气情况的对应关系从而实现对未来的预判
就像是人类训练阿尔法狗下围棋时并不需要告诉它具体的围棋知识只是尽可能多的把棋谱喂给它吃最终就能碾压人类顶尖棋手乱拳打死老湿敷
目前已经看到很好的前景顾局长说他们拿人工智能预测的结果和重庆市气象局正式发布的结果相比2小时内的短临预报准确率提升了40对气候的温度预测准确率提高了16
百度智能云的工程师告诉我为了这个成绩他们部门派了30多个研发工程师驻扎在重庆他们是百度的员工却在这一年多时间里每天在重庆市气象局上下班
整个过程中最耗费心力的就是结合气象知识来搭建算法模型幸亏百度智能云有一支专门服务于环境气象行业有十几年经验的团队作为后盾这才进行得比较顺利
为了交流方便重庆市气象局专门把15楼的智慧气象众创空间的几十个工位提供给他们用
我去参观时他们正好都去吃午饭了
食量大是AI的优势之一为了达到最佳准确率他们需要将以往10年来的气象数据全部放进AI模型中训练
气象监测的数据量非常大地面的高空的即便经验丰富的预报员知道该看哪几个关键点也根本看不过来所以人工智能正好能解决人在这方面的瓶颈
重庆市气象台的周台长告诉我气象雷达每6分钟就完成一次扫描卫星扫描频率稍微低一点15分钟左右10年的数据之庞大可想而知
同时经典数值预报的数据也是AI的食材之一所以AI预报的准确率最终才能超过经典数值预报
气象实况和AI预报对比
不会让预报员失业还能帮他们超车
说起AI人们总愿意拿AI和人类来比较并且联想到替代人类的话题那么天气预报AI以后会不会让人类预报员彻底失业呢
答案是不会
因为AI天气预报和经典数值预报的本质原理完全不同后者是基于严谨的逻辑因果推理一步一步地解题而AI则是基于以往的数据统计直接跳过步骤告诉你答案虽然结果很准但最好能和数值天气预报的计算交叉验证以提高结果的可靠性
聊起AI天气预报时顾局长很开心他说中国的气象工作发展迅速但起步相对较晚如果走前面经典的路我们可能干不过欧美国家但人工智能让他看到了弯道超车的可能性
其实从一开始我就好奇为什么气象局选择的合作方是百度而非其他互联网公司顾局说一方面是技术本身的优势另一方面还在于自主知识产权
百度的人工智能平台飞桨PaddlePaddle是自主研发的重庆市气象局调研发现其他绝大部分公司包括高校在智能技术方面都不是自主知识产权很多还是基于国外的AI研发平台比如谷歌的TensorFlow
这在顾局长这样老一辈气象工程师看来格外重要
两大核心技术都不在我们手里第一是超级计算机技术第二就是数值预报的数学模型现在包括我们用的服务器存储都还依赖国外的产品很多观测设备也还是欧洲的强有一天他不给我们怎么办
我们就是想发展自己的核心预报技术将来有一天可以不受制于人所以我们要发展智能计算智慧气象依靠大数据智能化打破传统经典的方法要有一种勇气把它打破彻底的改造并且在业务技术体制流程岗位设置都需要有突破
当我得知顾局长是工程师出身先后在上海市气象局重庆市气象局和中国气象局都任过职时隔五年又回到重庆就是想把重庆当地的气象部门做到更好不由地赞叹他对重庆和气象工作的情怀
气象预测是救人性命的事
也许在不少人的眼里天气预报并不太重要它只影响自己当天上班带不带伞打不打车但是在重庆市气象局的工作人员眼里气象预报是一件救人性命的事
顾建峰局长告诉我就在今年6月21日涪陵区预警中心凌晨3点多发出暴雨黄色预警信号暴雨袭来时大部分人还在睡梦中预警中心立刻向相关地质灾害隐患点发出预警
收到预警信息后村级气象员对地质灾害点进行实地排查发现确实有危险迹象赶紧动员9户25人进行转移一开始还有些村民不愿意转移可就在大家刚转移出来的路上一处山体滑坡把山脚下的房子给掩盖了
图片来自当天的重庆晚报
我问顾局重庆一共有多少个地质灾害隐患点他说一共有一万六千多个除此之外还有300多个防洪薄弱点
磁器口那个地方每年都会被洪水淹铜梁有个安居古镇也经常被淹另外还有森林火灾隐患点4000处
好在重庆市气象局的预警中心搭建了一套完整的四级预警体系市区乡村并且在灾害发生之前通过百度智能云的短信平台以每秒3000条的速率将预警短信通知到第一负责人否则后果不堪设想
灾害监测平台上密密麻麻的小点
除了救人性命气象工作也对当地的经济也影响重大
顾局举了个例子重庆当地种植的某些农作物他们最怕的就是冰雹一场大冰雹下来成百上千亩农作物都要遭殃那么原本指望靠着收成来脱贫的农户只能眼睁睁看着自己重新返贫但只要气象部门一出动往天上打几炮便能救下农民们的生计
不知道为什么忽然想起这个
顾局感慨当地政府要扶持一户贫困户要花多少人力物力财力精力而我们气象工作用非常小的成本就能有很高的收益
除此之外一座城市的建设机场高铁公路绝大多数基础设施都离不开气象部门的服务
说着顾局长不忘宣传一下重庆的旅游他拿起一本册子向在场的人介绍重庆正在建设的三峡国家气象公园以及四个被评为天然氧吧的地区还推荐大家都尝一尝中国气候特优好产品巫山脆李他说由于气候的关系特别好吃
说到这些时顾局长不无骄傲因为这些成绩的背后都离不开智慧气象
来自顾局的骄傲
从气象局回来的路上我打开了手机里的一个天气预报APP看了看感到浑身舒畅尽管预报还是那个预报我却知道了背后原来还有这么多的历史技术故事
我想起一件发生在自己身上的小事前阵子我得知老家湖南发了洪水赶紧问家里有没有受影响我妈立马在家族群里说没有
但当我偷摸去当地的论坛找图片时发现市里有些地区已经上演纤夫的爱消防官兵武警甚至部队都出动了全力营救受灾居民
估计我妈是怕北漂的儿子担心才赶紧说没有
从重庆市气象局出来后我有些小激动希望老家湖南以及全国的气象部门都赶紧发展新技术更好地帮助老百姓知晓天气防范灾情
另外还有一件事让我挺开心
以后再遇到困难感到失意时就打开天气预报看一看想想原来这颗星球上最先进的技术卫星雷达超级计算机人工智能技术每天都围着自己打转为我提供服务还有什么困难是解决不了的呢
再介绍一下我自己吧我是
谢幺
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