記者從中國(guó)氣象局獲悉，近日，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心聯(lián)合多家單位研發(fā)出風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)深度擴(kuò)散模型，成功將強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)有效時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)至4小時(shí)，這一科研成果已發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊。
據(jù)介紹，此次實(shí)現(xiàn)突破的技術(shù)完全是國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)。那么，這套技術(shù)攻克了強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的哪些難題？
國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)技術(shù)體系
攻克哪些難題？
自主研發(fā)技術(shù)體系：三代算法迭代破局
據(jù)介紹，強(qiáng)對(duì)流的“信號(hào)”，往往隱藏在對(duì)流云團(tuán)的變化里。于是，科研團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮風(fēng)云四號(hào)系列氣象衛(wèi)星大范圍、無(wú)縫隙監(jiān)測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，獲取長(zhǎng)時(shí)效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并從海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取、預(yù)測(cè)對(duì)流云團(tuán)的復(fù)雜隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提升預(yù)報(bào)精度。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）教授葉允明：這套技術(shù)從數(shù)據(jù)到模型、算法完全是國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)，其中的核心算法經(jīng)歷了三代的更新迭代。特別是第三代的基于生成擴(kuò)散模型的衛(wèi)星云圖智能外推算法，解決了長(zhǎng)序列預(yù)測(cè)中的對(duì)流云特征快速消散的難題，大幅提升了預(yù)報(bào)精度和有效預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)。
未來(lái)4小時(shí)內(nèi)每15分鐘可生成一次高分辨率對(duì)流預(yù)報(bào)
據(jù)介紹，基于風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這項(xiàng)深度擴(kuò)散模型能覆蓋我國(guó)及周邊2000萬(wàn)平方千米區(qū)域，實(shí)現(xiàn)未來(lái)4小時(shí)內(nèi)，每15分鐘生成一次高分辨率對(duì)流預(yù)報(bào)，在4000米至48000米的不同空間尺度和各季節(jié)均表現(xiàn)出穩(wěn)定的預(yù)報(bào)能力，為強(qiáng)對(duì)流天氣的精準(zhǔn)預(yù)警提供重要的技術(shù)支撐。特別是對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)以及海上雷達(dá)監(jiān)測(cè)盲區(qū)等區(qū)域的氣象防災(zāi)減災(zāi)，具有重要應(yīng)用價(jià)值。
衛(wèi)星云圖中強(qiáng)對(duì)流信號(hào)微弱
如何精準(zhǔn)捕捉？
我國(guó)的風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星具備高時(shí)空分辨率紅外探測(cè)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)云團(tuán)生命全過(guò)程的完整追蹤，并通過(guò)對(duì)云頂物理信號(hào)的捕捉，提早發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流初生跡象，為預(yù)報(bào)爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。但強(qiáng)對(duì)流在衛(wèi)星云圖中的信號(hào)微弱、變化迅速，如何精準(zhǔn)捕捉？
強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)尺度小、變化快，在衛(wèi)星云圖中的相關(guān)信號(hào)微弱。傳統(tǒng)人工智能模型在預(yù)測(cè)數(shù)小時(shí)后的云圖時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)“模糊化”的情況，也就是云團(tuán)的輪廓雖在，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)卻嚴(yán)重丟失，無(wú)法辨識(shí)是否有強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)。
創(chuàng)新“雙模型耦合”兼顧云系整體與局部演變
為破解“模糊化”這一難題，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出“雙模型耦合”的架構(gòu)。
由一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)并預(yù)測(cè)大尺度云系的整體移動(dòng)趨勢(shì)，把握天氣系統(tǒng)的整體動(dòng)向；同時(shí)引入擴(kuò)散模型，專門(mén)學(xué)習(xí)云圖演變中難以捉摸的局部隨機(jī)變化，刻畫(huà)云系內(nèi)部生消演變的精細(xì)過(guò)程。
兩者在訓(xùn)練中協(xié)同學(xué)習(xí)、共同優(yōu)化，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)大面積云系整體移動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，又能很好地保持云系內(nèi)部結(jié)構(gòu)演變的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。
風(fēng)云氣象衛(wèi)星工程應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師覃丹宇：這是一個(gè)算法結(jié)果的示意圖。最上面這一行，代表著預(yù)測(cè)時(shí)間在不同時(shí)刻，就是未來(lái)3小時(shí)、4小時(shí)，和真實(shí)觀測(cè)的殘差。中間一行，代表著大尺度的預(yù)測(cè)結(jié)果，也是隨時(shí)間逐漸變模糊。加入擴(kuò)散模型以后，這個(gè)細(xì)節(jié)就越來(lái)越豐富，代表著3小時(shí)、4小時(shí)以后預(yù)測(cè)的時(shí)間仍然有豐富細(xì)節(jié)。
強(qiáng)對(duì)流預(yù)警提前
如何筑牢防災(zāi)減災(zāi)防線？
強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)有效時(shí)間得以提前，這一關(guān)鍵技術(shù)突破，為緩解極端天氣“預(yù)報(bào)來(lái)了卻來(lái)不及應(yīng)對(duì)”的痛點(diǎn)提供了新的思路。未來(lái)，這一技術(shù)在城市運(yùn)行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面又將發(fā)揮哪些支撐作用呢？
強(qiáng)對(duì)流預(yù)警提前守護(hù)城市保障民生
在城市應(yīng)急處置中，預(yù)警時(shí)間提前能為基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)贏得黃金準(zhǔn)備期。對(duì)城市運(yùn)行而言，地鐵、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施可以提前啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)；在公共安全領(lǐng)域，讓危險(xiǎn)區(qū)域人員轉(zhuǎn)移和搶險(xiǎn)物資部署更加主動(dòng)從容。
強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警升級(jí)助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“看天吃飯”的模式，因預(yù)警時(shí)間提前實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的轉(zhuǎn)變。對(duì)種植戶而言，多出來(lái)的幾小時(shí)足夠完成大棚加固、成熟作物搶收和防護(hù)網(wǎng)覆蓋。每到臺(tái)風(fēng)季節(jié)，江蘇、福建、廣東等地借助氣象預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)預(yù)警，讓漁船在9級(jí)大風(fēng)來(lái)臨前安全回港�？�。養(yǎng)殖戶也能提前為魚(yú)塘增氧、加固圍欄，最大程度減少冰雹、短時(shí)大風(fēng)等帶來(lái)的損失。
變被動(dòng)為主動(dòng)筑牢防災(zāi)減災(zāi)防線
強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)間提前的核心價(jià)值，在于將“被動(dòng)應(yīng)急時(shí)間”轉(zhuǎn)化為“主動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間”。隨著預(yù)警渠道不斷優(yōu)化和技術(shù)落地，這一提前量將持續(xù)為各行各業(yè)賦能，把強(qiáng)對(duì)流天氣帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)損失降到最低，切實(shí)提升全社會(huì)的防災(zāi)減災(zāi)能力。
國(guó)家衛(wèi)星氣象中心（國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心）研究員王勁松：我們剛剛發(fā)射了最新的風(fēng)云四號(hào)C星的衛(wèi)星。它在時(shí)間、空間和光譜的分辨率上都有大大的提高。未來(lái)我們將會(huì)用最新的技術(shù)，增加更多人工智能的內(nèi)核。