台风暴雨就要来了！究竟怎么算出来的？
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计算台风
文字：那日苏
校稿：朝乾 / 编辑：果栗乘
近几年，你有没有感觉到极端气象灾害变得越来越多了？
上个月初，暴雨天气笼罩了华北大地。从北京房山、门头沟，到河北易县、涿州，整个太行山东麓都响起暴雨红色预警。
这雨下得着实有点大▼
如果把时间往前推，在这场暴雨之前，华北平原是全中国最为“干渴”的地区，人均水资源量甚至低于沙漠广布的大西北。由于连续不断地超采地下水，地面沉降、湿地退化、海水入侵等等问题接踵而至。
中国人均水资源量分布▼
华北的干旱和暴雨、长江流域的极端高温天气、加拿大的山火、利比亚的飓风……等等一系列气象灾害，让人不禁想起电影《流浪地球》开篇旁白的那句话：“起初，没有人在意这一场灾难，这不过是一场山火、一次旱灾、一个物种的灭绝、一座城市的消失，直到这场灾难和每个人息息相关。”
没有人能置身事外
（图：《流浪地球2》）▼
天灾年年有 近年特别多
频繁发生的气象灾害，让所有人强制性地直面大自然恐怖的力量，人们了解气象的需求，远远高于从前。因此关于气象预测领域最新的学术成果，也成功“破圈”，成为了各行各业的普通人都开始关注的前沿资讯。
就在这个月，超强台风“苏拉”以62米/秒的速度，登陆广东省沿海；地中海飓风则罕见的袭击北非海岸，利比亚城镇被夷平，死伤近万。而这还只是一个月内的灾难，今年西太平洋遭遇的台风还有：超强台风杜苏芮、强烈热带风暴泰利、超强台风卡努等等。
你方唱罢我登场，就没消停过
（底图：wiki）▼
飓风过后的利比亚，沿河城区被夷为平地
（图：twitter）▼
温室效应、全球气候变暖，这些在各大媒体平台上屡见不鲜的名词，其实已经深刻地影响了我们的生活。
有人可能问了，全球变暖不就是气温升高了一两度吗，跟极端气象灾害有什么关系？事实上，全球变暖不是整个地球的大气统一变化，在某些局部地区会有更明显的温度升高或降低。我们都知道，气体的温度与压力是会相互影响的，而局部地区气温的变化，就会引起原来相对稳定的大气环流出现异常。而不稳定的大气环境更是让热带气旋、大气活动的路径更难以预测。
全球变暖对地球的影响是广泛而深刻的
而不均匀的温度变化更增加了极端天气事件的发生概率▼
全球变暖还造成一个后果，那就是蒸发量的增加。逐渐升温的大气让大洋上空容纳了更多的水汽，再加上预测天气的挑战性增加，极端降水往往突然来袭，对于常年降水很多的地区是重大考验；对于降水较少区域，则更是重大灾害。
尺度范围巨大的大气河就常常会造成十分严重的洪水
而大气河的预测却十分困难
（图：NASA）▼
45亿岁的地球的大气系统偶尔的变化
对寿命长度只有百岁的人类来说可能意味着极端巨变
（图：《天气之子》）▼
预测未来 为什么这么难
对天气的预测，是人类社会古已有之的刚需。
尼罗河河水的涨落，带给沿岸人民深重灾难的同时，周期性的淤泥与稳定的水资源，奠定了人口与农业的基础，也塑造了人类最早的文明——古埃及文明。
古埃及文明，沿尼罗河畔发展兴亡
（图：壹图网）▼
在中国北方，草原上不定期肆虐的暴风雪，来时隐天蔽日，去时带走游牧民族的牛羊与毡帐，只有能阅读天气、保住部落财产的智者，才有资格成为草原的可汗。
有能力应对草原上的风风雨雨
才配称得上“可汗”
（图：图虫创意）▼
至于农业社会，则更是神化了大自然的各种天气现象，中原的王朝视风调雨顺为国家的生命线，能施云布雨的龙则成为了我们整个民族的图腾。总之，不同区域的人们依据各地的习惯和观察，总结出诸多规律，这是人类观测气象、预测天气的早期尝试。
“龙不抬头,天不下雨”
（武汉龙王庙 图：图虫创意）▼
但是从科学上普遍性的解释天气现象发生的原理以及预测方式，还要等到19世纪。1854年，巴黎天文台台长勒弗里埃绘制出了世界上第一张天气图，现代天气预报体系随之出现。
那时的气象预报主要是为军事活动服务的
1865年1月16日的气象图，巴黎天文台
（图：Observatoire de Paris）▼
从最早的设想，到公式提出，到战争中科学家笔算天气预报。随着人类认识的深入，天气预报走过了三个时代，天气绘图、统计预测以及今天普遍使用的数值模式方法，计算的过程逐渐明了，大气科学的秘密，逐渐被人类所解开。
1954年BBC有了第一位面向大众的电视天气预报员
到今天人们甚至不用蹲守在电视前
仅用可连接网络的电子设备就能查看天气预报
（图：BBC）▼
预测未来，这一在古人看来难以置信的事情，我们正逐渐地将它变为现实。不过，要能精确地预测未来的天气，仍然十分遥远。
地球的大气是一个非常复杂的系统，各个不稳定的因素都会对最后形成的天气现象造成影响，而这些不稳定因素还会相互作用，给天气预测造成了极大的困扰。总之，我们离精准预测天气，隔着数据收集和数据处理能力，这两座有待解决的大山。
例如与气溶胶、云和降水相关的大气过程就已相当复杂
（图：NOAA）▼
陆地上有国界，海洋也被分为公海和各国的领海。但这一切无形的界限其实都是我们人类想象出来的。但气温的升降、空气的流动，并不遵循人所划分出的边界。地球上有七大洲、四大洋，却只有一片天空。整个地球的大气活动是一体的，牵一发而动全身。想要做出精准的天气预报，一定离不开全球合作。
气旋、洋流不分国界
（图：NASA）▼
英国人曾经设想通过一个统摄全球的情报网络加上“人肉计算机”的方式来做全球的天气预报，这是超前的设想。实际上这一思路本质上是对的，但要等到遍布全球的数值观测加上计算机出现才能实现，也就是如今日臻完善的“数值模拟”。
也是现今最主要的天气预报模式▼
从1956年至今，这一天气预测方法飞速发展。但是近十几年内，数值模拟技术也暴露出了自身的短板。随着描述的物理过程越来越复杂，数值模式运转起来所需的庞大计算量要消耗很多的计算资源，数百个节点的超级计算机单次模拟10天的天气，都需要数小时的时间。
第一个天气预报由第一台计算机ENIAC完成
它用了近24小时才完成24小时预报的第一次计算
（图：wiki）▼
这是因为大气运动所受的影响因素太多，陆地、海洋、植被、冰盖、人类活动等等变量，都会对最终的结果产生影响。数值模式这一天气预测技术，逐渐接近了它的天花板。
另一方面，随着气候变化的逐渐剧烈，对气候对象进行数值模拟的难度大大提升，正是在这一背景下，新的技术开始呼之欲出。
最先进的技术 与 最复杂的问题
我们知道，气象预测之所以很难，在于微小的变化借助气象中的各种反馈机制可以短时间内产生巨大的结果，也就是我们说的“蝴蝶效应”。而要想随时算出公式的结果，就需要更多的数据以及更巨大的算力。
针对传统气象预测方法的瓶颈，华为云提出了一种新的高分辨率全球AI气象预报系统——盘古气象大模型。
以台风为例，原本预测台风未来10天的路径需要3000台服务器的高性能计算机集群计算4-5小时，而盘古气象大模型只需要10秒。它的精度，接近甚至超过传统数值预报方法。大数据、大算力、大模型，是华为云运用AI解读气象规律、推动精准天气预报发展的底层逻辑。
华为云盘古大模型全球气象实时预测
（图：huaweicloud）▼
因为精准预测既离不开计算也离不开数据，而精准详细丰富的数据其实散布在各个区域国家。从1979-2021年长达43年的全球实况气象数据，被投喂到了盘古气象大模型的训练和测试数据集当中，让盘古在台风等重要的气象指标的预测上具备惊人的能力。
盘古气象大模型借助创新的3DEST网络结构，精准获取了地球上任一经纬度地区的气象预报关键要素，在从一小时到一周的常用时间范围上，其精度均超过当前最先进的预报方法。
3DEST是在每一个transformer模块中引入
和纬度、高度相关的绝对位置编码
来学习每一次空间运算的不规则分量▼
比如2023年5月的“玛娃”台风，盘古气象大模型提前五天就预报出其将在台湾岛东部海域转向路径，为台风频发地区精准气象预测的需求提供了更新、更有效的解决方案。
要想为他们赋能更强大的气象预测能力，就离不开数据合作。盘古气象大模型的全球模型成果，欧洲中期气象中心首先上线并对全球开放。此外，由于全球的气候变化具有不均衡的特性，全球面积最大的大陆与海洋交界位置——西太平洋沿岸，遭受了大量极端天气的冲击。
欧洲中期气象中心还发布了
盘古大模型与欧洲数值模式的对比测试报告
结果显示前者在精度和极端天气预报方面都表现出优势
（欧洲中期天气预报中心官网 图：ECMWF）▼
泰国每年有8个月雨季，为减少极端天气带来的损失，泰国气象局与华为云合作，共同开发泰国盘古气象大模型。今天华为全联接大会的现场，泰国气象局局长崇帕瑞与华为常务董事、华为云CEO张平安共同启动泰国盘古气象大模型的联合创新。
面向我国南海的广东深圳，就位于遭受极端天气冲击的“第一线”。此前，华为云宣布将联合深圳市气象局，针对强降水预测这一世界难题，以及深圳市未来可能面临的天气预测难度升级的挑战，利用人工智能技术打造更精细的深圳区域气象大模型。
有了更精准的预测
就能及时应对，进一步降低灾害损失
（深圳9月8日经历极端特大暴雨 图：深圳市气象局）▼
暴雨预测是气象领域最难的工作之一，暴雨天气属于气象当中的“急性病”，可观测预报的窗口可能只有几个小时。
另外暴雨云团的空间尺度一般在20公里到200公里之间，而我们现有的观测高空气压、温度和湿度的探空站间距大约在300公里左右，当暴雨云团内部发生剧烈反应的时候，它很有可能不在探空站的观测范围，这极大地限制了人类对于暴雨天气的预报能力。
每年全球由于暴雨造成的经济损失高达数千亿元。华为云研发团队结合全球40年气象数据和10年卫星降水数据，通过3D EST-3地球空间网络训练优化，打造全新的具备降水预测能力的盘古气象大模型，可实现对未来6小时、24小时的短期和中期降水预报，模型的降雨量预报精度提升了20%以上。
盘古气象大模型的网络训练和推理策略▼
9月30日，华为云还将正式启动盘古气象平台的邀测，让全球用户都可以直接调用降水预测等功能，携手全球客户和伙伴，打造区域更高分辨率降水预测模型，挑战暴雨红色预警从提前3小时到提前24小时，让风云可测。
如果说预测股市是人类社会最难的事情，预测天气恐怕就要排第二了。预测未来这道题，人类只能不断去逼近那个转瞬即逝的正确答案，21世纪这道题更难了，好在我们也有了更好的解题工具，这也是我们更深刻理解自然、理解地球的途径。
通过华为云盘古气象大模型，我们或许可以离地球运转的真相，更近一小步。
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