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智能網格預報——從站點到格點的全新變革

作者:admin 來源: 日期:2018/7/20 15:20:52 人氣:0

       按照中國氣象局的計劃,今年12月底前,我國氣象預報服務統一數據源的“一張網”網格預報業務將正式運行。這張網空間分辨率達5公裏×5公裏,時間上可實現逐3小時發布未來10天的天氣預報,使公眾可隨時隨地獲得基於位置的精細化氣象服務,這也意味著我國天氣預報將實現從傳統站點預報向格點預報的轉變。讓全方位聚焦智能網格預報,一起認識這項新業務。

  網格篇

  智能網格預報雖然是近些年才走入公眾視野的詞匯,但其技術發展卻不是從近些年才開始的。

  天氣預報是不斷從定性預報、描述性預報向數字化、格點化預報發展的。比如,原先氣象部門發布的城鎮天氣預報,內容隻包括2400多個城鎮的天氣現象、高低溫和風速風向預報,頻次也隻是一天三次,預報的時間精度和空間精度不夠高。2012年,國家氣象中心推出了一個新的預報產品,即大城市精細化預報,該產品把全國省會城市、計劃單列市24小時內的天氣預報進行細化,每6小時開展一次預報,降水量報到毫米,但即便這樣也不夠精細,不能滿足各行業及公眾的需求。

  需求推動了業務的發展。2010年左右,“網格預報”這一概念被引進到我國的精細化預報業務中。如何理解它呢?可以這樣比喻,就像地球上的經緯網一樣,可以把中國以及每個城市所在的區域分解成許多個5公裏×5公裏、甚至1公裏×1公裏的網格,而公眾就是生活在這樣一個個的網格中,每個網格中的天氣情況也會有所差異。

網格化預報就是針對這樣的每一個網格開展的。與原來的定點預報相比,它在空間上更加精細,也更具針對性。就拿北京的預報來說,原來的預報隻是以南郊觀象台這一個點的氣溫、降水等來代表整個城市天氣情況,但通過開展網格化預報,北京的天氣不再由一個定點來反映,針對北京的氣象服務和天氣預報可以精細地反映在整座城市每個不同的網格之中。目前,部分省份甚至可以做到分鍾級的天氣預報;在空間上,已有十幾個省份可以實現3公裏分辨率、2.5公裏分辨率乃至更精細化的預報。

  網格化預報的精細不僅體現在空間上,還反映在可以每天更高頻次的更新和發布上。原來,一天的天氣預報中隻會涉及一種天氣現象,現在網格化預報可以做到全國範圍內逐3小時10天預報。隨時隨地,公眾都能了解到自己當前所處的網格是什麽樣的天氣,能夠清楚地了解氣溫、降水、風等多個基本氣象要素。

  除了對陸地上的網格進行預報外,氣象部門還將我國的責任海區劃分為多個10公裏×10公裏的網格,並進行海上能見度、海上大風等要素的精細化預報。

  網格化預報不僅讓模式更加細化,還提供了更為細致和豐富的預報內容。

 在原先的預報產品中,公眾接觸較多的就是氣溫、風和天氣現象這三個要素,而當前的陸地和海洋預報產品就已細化到四大類18個氣象要素。

  ▲第一類是基本要素,即氣溫、降水、降水相態、風、雲量、相對濕度等。以前,12小時的預報中就隻反映一個天氣現象,現在有了更精細的逐3小時預報,可以反映不同時段的天氣現象。

  ▲第二類是環境氣象要素,包含霧、霾、沙塵暴、能見度等。

  ▲第三類是災害性天氣要素,包含短時強降水、雷暴、雷暴大風、冰雹等強對流天氣預報。

  ▲第四類是海上氣象要素,在產品中具體體現為海上大風、海上能見度、海上天氣現象等預報。

  這張時空分辨率越來越高的預報網格已經是氣象部門預報業務最為關鍵的預報產品。將來,氣象部門的預報服務產品都將從這張網中提取,需要什麽就可以從中“拎”出來什麽。

  隨著網格預報的發展,產品的內容越來越全麵、豐富,數據量也越來越龐大。公眾不見得直接使用這些產品,而是由中央氣象台將這些產品作為基礎產品提供給各級氣象部門及氣象服務單位。各級氣象部門基於精細的網格預報,再結合基於位置、網絡、移動終端等服務手段,為公眾提供距離最近的、最具有針對性的服務和產品。目前,一些省份還根據精細化網格預報為公眾的出行安排做規劃,甚至可以為公眾提供每小時更新的出行天氣預報。

  智能篇

  “阿爾法”圍棋(AlphaGo)三盤連勝擊敗長期排名世界第一的棋手柯潔,讓人類對人工智能的未來既心生隱憂,又充滿期待。許多行業都是如此,氣象預報也不例外。智能網格氣象預報的核心特征之一便是智能化。

  在所有可以體現智能化的氣象前沿科技成果中,最重要的是數值預報和集合預報。高分辨率智能網格需要高分辨率區域數值預報模式支撐,而我國目前有四套業務化運行的高分辨率模式,包括中國氣象局數值預報中心研發的全球數值預報模式GRAPES和北京、上海、廣東三個區域氣象中心研發的高分辨率模式。

 如何將它們放在一個盤子裏隨取隨用?中國氣象局在上海建立了一個數值預報雲(目前正在升級為智能網格預報雲),將這四種核心氣象預報模式放置在雲端,全國氣象部門通過數值預報雲客戶端均可至“雲”上快速共享高分辨率的數值預報模式產品。在“取用”的過程中,各省級氣象部門開展對模式的數據處理、診斷分析、解釋應用、交互訂正,形成省級網格預報產品。由於省級製作的網格預報將是未來全國智能網格預報的主要組成部分,因此,這朵“雲”意義重大。

  未來,氣象部門還將發展結合物理機理與數值預報大數據挖掘應用的智能預報技術。一方麵,基於數值預報機理的數理統計形成複雜預報模型、預報方法;另一方麵,基於大數據技術的數據挖掘、機器學習等方法,研究深度學習預報模型或預報機器人。有人可能會問,如果完全基於機器學習和人工智能,那未來智能預報該怎麽做呢?

  的確,“智能”對預報提出了挑戰。以醫學為例,美國近年來研製了完全基於機器學習、深度學習的疾病診斷方法。今年2月IBM機器人醫生沃森來中國“出診”,10秒內開好處方,得到現場5位資深人類主任醫生的認可,大幅提高診療效率。圍棋也是如此,“阿爾法”圍棋團隊中沒有職業圍棋選手,團隊核心均是人工智能背景的科學家和工程師。“阿爾法狗”發展到現在,已經脫離了靠大量棋譜來“喂養”的階段,憑深度學習就能不斷進步。

 但氣象與醫學、圍棋都有所不同,醫學所研究的人體是一個封閉的係統,而圍棋雖然內部機理比較複雜但規則相對簡單,氣象是個更為複雜的係統,受影響的因素太多。比如降雨,水汽、濕度條件都滿足了,但空氣中沒有“凝結核”,雨也下不下來;比如沙塵暴,風速太大隻會讓風在平流層“奔跑”,無法形成沙塵。

  因此,“智能”並不意味著預報員在這一過程中毫無“用武之地”。預報員的優勢在於豐富的經驗和對關鍵天氣形勢的把握。在智能預報的初級階段,預報員多年的預報經驗可以用來“喂養”機器和模式;而在模型和智能化水平越來越高、人工訂正的空間越來越小時,一部分預報員將會投入技術研發,而另一部分預報員將主要轉向對關鍵轉折性天氣過程等的氣象服務工作。

  目前,中國氣象局相關團隊已經與清華大學、中科院等合作開展人工智能技術研發工作;國家級氣象部門也聯合組建了智能預報服務原型係統團隊;國家氣象中心一批資深預報首席、年輕研發型預報員、IT工程師一道組成了大數據及智能預報團隊。這些,不僅將極大促進智能網格預報發展,還將可能給氣象預報服務帶來意想不到的驚喜。

  服務篇

  6月21日到24日,北京全市平均降雨量達92毫米。但差不多同時收到預警的人,身邊的暴雨卻並未同一時間抵達。21日晚上,河北、天津、北京南部率先有雨,一時謠言四起。22日,又是一天漫長的等待,當天深夜,暴雨終於如約而至。

  在這場過程中,不難發現,天氣預報是準確的,但天氣預報與公眾的需求並沒有完全契合,有的地方下雨了,有的地方還沒下。如何與公眾需求相契合就是智能網格預報業務要解決的問題。智能網格預報的初步目標是把全國分成5公裏×5公裏的網格,在這個基礎上每隔1小時更新一次預報,如果遇到重大天氣過程,更新的頻率還會加快。

  也就是說,如果還是同樣一場雨,無論你身在北京哪一個角落,你得到的天氣預報將是你所處的5公裏網格範圍內的天氣預報。假如你在南邊的某個“網格”裏,那你和北邊、甚至距離你不遠的西南邊、東南邊某個“網格”裏收到的天氣預報是不一樣的,你隻需要在你所在地下雨前做好準備即可。從另外一個角度看,這也避免了無謂的恐慌,限製了謠言的傳播。

  有人會問,劃這麽細,準確率能保證嗎?從氣象科學的角度看,在同樣的技術水平下,當時間和空間分辨率變大,氣象預報的準確率一般來說是會降低的。但氣象部門在智能網格前期試點和試運行的過程中,首先要保證的就是使智能網格預報的準確率較以前的站點預報不降反升。

  其實,甘願冒著降低預報準確率的風險,氣象部門也要改變傳統預報、製作高時空分辨率的網格預報,就是基於氣象服務的需求。隻有這樣,才能打破“預報有雨很準,但雨沒下到我這裏”的奇怪現象。

  當然,智能網格預報不僅僅隻為你提供降雨預報服務。事實上,它能提供基於你電腦IP地址和手機位置的精準氣象服務,除了降雨,還有風、溫度、濕度、雲量、能見度等。

  與以前的預報相比,網格預報將全部是精細定量的數字化預報,這還有助於預報員開展災害性天氣影響預報。基於精細的智能網格,在開展地質災害、暴雨洪澇、高溫幹旱等影響預報時,預報員對下遊災害性天氣影響的預報準確率也會大大提高。

  此外,基於比較精細的網格預報,不管涉及農業、交通,還是旅遊,你所享受到的與氣象有關的服務都會變得更加精細。以航海氣象服務為例,精細的海洋網格預報能給海上航行的船隻提供航線上精細的預報信息,為安全海洋提供強大數據支撐。

 隨著氣象科技的發展,5公裏和3小時,這兩個數字會越變越小,這意味著網格預報的精細化程度會越來越高。氣象部門從去年開始也在研製全球網格預報。這樣一來,即便你走出國門,去“一帶一路”沿線等國家旅遊、做生意,也能享受到我國氣象部門提供的貼心氣象服務。