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给地球“算命”的人

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99.99%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“Red sky at night, sailors delight”,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”( Paddle Paddle )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?

 

 

原创: 谢幺谢幺 公众号:浅黑科技

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