公元1080年大暑时节，时任湖州州学教授的诗人陈瓘，正在穿梭在福建老家到浙江湖州的官道上。恰逢台风来袭，狂风肆虐，陈瓘一时兴起，随风潮澎湃，近距离观赏着台风之壮美，感受波涛汹涌之间的磅礴气势。这激发他写就此诗：“曾近沧溟看飓风，波涛有尽海无穷。四年陈迹今何在，坐对湘云豁晚空。”
Ai生成丨Midjourney 5.2
自古以来，我国东部沿海地区对台风的记忆格外深刻。从祭祀妈祖祈求风平浪静，到建风神庙祈祷上苍保佑免遭台风侵袭，再到闽南、岭南地区特有的防风建筑设计。畏惧狂风之力，畏惧骤雨之威的情怀，早已融入华夏沿海儿女的心田。
妈祖像丨图片源自于网络
我国坐落于西太平洋台风生成区的西部，受地转偏向力与副热带高压的双重影响，因此我国成为亚洲最频繁遭受台风侵袭的国家之一，其中东南沿海地区更是台风频繁肆虐的重灾区。
由于缺乏岛屿的屏障，往往杀到我国的台风都是“原装”状态，没有经过任何陆地的削弱，其风力强大且恐怖。如近期即将袭击我国粤东闽西地区的杜苏芮台风，中央气象台已经针对其发布了红色台风预警，并预计它将于7月28日早晨至上午在福建中部至广东东部的沿海地区登陆，登陆时的中心附近最大风力将达到13-15级（40—48米/秒，相当于台风级或强台风级）。
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许多人倍感好奇，这个台风的预计路径是如何确定的？我们如何预测这个蕴含了天地之力的巨大风暴，预测路径的意义在哪里，预测的准确度如何？最近登上《自然》杂志的华为盘古气象模型，能否预测这个台风？
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观天测海，我命由我不由天
相对于信仰上帝的西方文明，中华文明，作为一个起源于农耕的文化体系，自古就秉承着经验主义和实用主义的哲学原则。对于依赖“望天吃饭”的农耕社会，对大自然的观测与预测具有至关重要的意义。特别是针对台风这种有可能“一举夺走一年收成”的自然灾害，人们对其预测也早有独特的方法。
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首先，人们通过观察风向变化来预测台风的来临。例如，在应该刮东南风的夏季，如果突然刮起东北风，这便是台风即将来临的暗示。故有句古语“东风转北，搓绳缚屋”，便是此意。
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其次，古人主要依据“断虹”与“卷云”两种天象来预判台风的来临。“断虹”即虹霓，通常会出现在台风将要来临的方向上。形成虹霓的条件之一就是需要有大量的水滴，而台风的外围云层恰好能提供这样的环境。
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最后，观察动植物的异常状态也是一个重要的预测手段。例如，大量的海豚（古称风鱼）出现在沿海地带，这是台风即将来临的征兆。同时，陆地上的动物，受到低气压和湿热的影响，也会出现如蜻蜓乱飞，飞蛾成群等异常现象。
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在现代科技的推动下，气象仪器和观测设备的应用，以及卫星监测和气象学体系的完善，使我们对台风路径的预测有了本质上的突破。现行的主流台风预测方式，是在已知台风的坐标和风力等级的基础上，参考未来一段时间内的海洋温度、大气风切变、高压脊线、自转力等因素，利用超级计算机对这些数据进行解耦合重组，以此推算出台风可能的路径。
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目前，世界上主流的台风预测机构主要包括欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、美国国家气象局（NWS）的全球预报系统（GFS）、德国气象台的ICON预报系统，以及我国的中国气象局台风预测机构。其中，国际上公认的较为准确的台风路径预测模型，如ECMWF、GFS以及我国的台风预测模型，均采用了动力模型。这种模型根据大气的物理定律，包括流体动力学的基本方程（例如，纳维-斯托克斯方程）和热力学的基本原理，来描述大气中气体的运动和能量转换，并用这些方程来模拟大气的运动，从而预测天气。
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动力模型的预测和计算需要在全球或某一特定区域的大气中模拟气流、温度、湿度、云量等多种物理变量的演变。这些模型通常将大气划分为许多小格子，并在每个格子中计算物理变量的变化。这意味着在每个时间步长内，需要进行数百万到数十亿次的计算，因此需要超级计算机才能在合理的时间内完成。
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对于复杂且超过15天的中长期气象预测，即便是超级计算机亦常常无法准确预测。天气，作为地球的脉搏与呼吸，包含了无数的变量和动态因素，我们人类至今仍无法完全掌握天气的变化。
以即将登陆的杜苏芮台风为例，在7月19日左右，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的预测结果显示，杜苏芮将以超强台风的形态直线冲向珠三角，仿佛重现了2017年重创珠三角的天鸽台风。然而，到了22日，预测路径却大幅改变，转而向华东地区进发，带给浙江、上海、江苏狂风暴雨。最终在25日晚间，各大预测机构才对杜苏芮的登陆位置达成一致，预测为粤东或闽西。这一过程充分展示了台风预测的难度和不确定性。
7.19日ECMWF对台风杜苏芮的登陆点预测为广东珠海
7.24日ECMWF对台风杜苏芮的路径预测，仍存在大量的计算分歧
借盘古之力，做追风神探
相比于这些动用超算的大家伙，目前还有一种预测气象变化的方式，那便是统计模型：这种模型基于历史的台风数据，使用统计方法来预测台风的路径和强度。过去这类方式往往只是运用计算机的图像堆叠功能，对短期内台风的走向来进行预判。这类方法由于缺少科学数值的加入，往往只作为台风路径预测的辅助作用，而伴随着AI的出现，统计模型方式得到了升华。
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在2023年7月5日，《自然》杂志正刊刊登了华为云团队关于盘古气象（Pangu-Weather）大模型的中期天气预测研究。这项研究首次克服了全球性的挑战，即AI在天气预测精度上的不足。更令人惊讶的是，该模型的预测速度提高了1万倍，达到了全球气象预测的“秒级”速度。
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过去利用AI技术来预测气象，往往存在着两个问题，第一个就是传统的AI气象预报模型基于二维神经网络，处理起复杂、不均匀的三维气象数据具有困难。这是因为他们不能完全理解和建模地球气候系统的三维结构，包括海洋、大气和陆地等交互复杂的物理过程。
台风杜苏芮实时卫星照片—日本气象卫星
第二个是迭代误差的积累，AI方法在缺乏数学物理机理约束的情况下，预报结果的迭代过程中会逐步积累误差。这种误差的累积会影响到最终的预测准确性，尤其在中长期预测时更为明显。这一点如同当前Ai绘图中对于手部描绘的错误。
为了解决这些问题，华为云团队创新地提出了适应地球坐标系统的三维神经网络（3D Earth-Specific Transformer）来处理复杂的不均匀3D气象数据，通过在43年的全球天气数据上训练深度神经网络，盘古气象大模型在精度和速度方面超越传统数值预测方法，这是AI在气象预测领域的重大突破。
图片源自于B站Up主中气爱视频截图
此外，华为团队也采用了层次化时域聚合策略，以减少中期预报中的累积误差。这极大地减少了中期天气预报所需的迭代次数，由此降低了累积误差。这种策略的应用使得盘古气象大模型在部分情况下，其精度和速度方面超越了此前全球最好的NWP系统。
图片源自于B站Up主中气爱视频截图
华为云团队的盘古气象大模型通过处理大量复杂的气象数据，实现了对天气和热带风暴路径的高精度预测。模型使用了包括13个不同气压层的垂直高度数据和多种气象要素数据，其预测成绩显著优于之前最好的数值预报方法和其他AI方法。同时，模型在单张V100显卡上只需1.4秒就能完成24小时的全球气象预报，速度上超过传统数值预报方法10000倍。
华为官网对于盘古气象模型的介绍
此外，盘古气象大模型经过实际验证，对热带风暴的路径预测准确度显著高于传统方法。研究人员将模型应用于2018年的88个热带风暴后，模型在台风路径预测的三天/五天平均误差都明显低于传统方法。尤其在2018年著名的台风康雷和玉兔的预测中，盘古气象大模型显示出了极高的预测准确度，超越传统方法超过48小时，准确判断出了台风玉兔的实际登陆地点。
图片源自于B站Up主中气爱视频截图，白色线条为实际台风走向，红色线条为盘古模型预测路径
挑战杜苏芮，盘古能否精准命中
几经周折，在国内网站寻遍无果的情况下，偶然在欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的官网中找到了带有盘古气象Ai模型的预测图。在网站中共展出了六个维度的预报图，分别是平均海平面气压和850 hPa风速、500 hPa高度和850 hPa温度、平均海平面气压和200 hPa风、不同压力水平下的温度和位势、海平面2米温度和10米风量、不同压力水平下的风和位势高度。
对于台风的观测，我选择的是不同压力水平下的风和位势高度预报图，该预测模型描述了大气状态。"风"描述空气流动的速度和方向，其在不同高度（压力层）可能会有所不同。"位势高度"则是气压等值线在重力场中的高度，其变化可以反映大气的稳定性和温度分布。这些信息对于预测天气系统的发展、风暴路径、空气质量和气候模式等都至关重要。
依据华为盘古AI气象模型的预测，台风杜苏芮预计将于2023年7月28日北京时间8点左右在福建漳州沿海登陆。该模型准确地描绘出了台风最大威力所在的“危险半圈”，即位于福建漳州至福建厦门的区域。
这一预测结果与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的预报相吻合，表明以AI技术实现的华为盘古台风路径预测模型在实际效果和实用性上与国际一流的预报机构几乎没有差距。
在中长期预报领域，华为盘古AI模型同样展现出了卓越的性能。在台风杜苏芮过后，太平洋西部海域仍然蕴含着丰富的热量，这促成了又一个热带风暴的形成。根据华为盘古的预测，这场新的台风预计将于8月2日北京时间8点左右登陆浙江地区，其强度将达到强台风或超强台风级别。
然而，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）给出了与华为盘古AI模型稍有不同的预测。根据其超级计算机的模拟，这场新的台风预计将于8月2日北京时间23:00以强台风的级别登陆浙江台州沿海。华为盘古AI模型与ECMWF的预测在登陆时间上存在差异，但在预测登陆地点上，两者的判断几乎完全一致。因此，位于该地区的居民需在八月初做好防台准备。
达摩克利斯之剑 成为正义执剑人
AI主题在六月达到高峰后，现已明显下滑。随着AI叙事的暂时告一段落，伴随着利用AI进行非法行为和投机取巧的行为屡见不鲜，公众对AI的印象和口碑开始动摇。从被视为无所不能的科技革命，AI逐渐转变成被人们揣测的科技怪物。
百度资讯栏目-Ai诈骗
实际上，在过去的AI时刻文章中，我经常提到AI作为科技产物，就像是悬在人类文明之上的达摩克利斯之剑。一方面，AI技术的应用带来积极影响，它能让人们从繁琐、简单的工作中解脱出来，去完成更具有创造性和创新性的工作，比如本文中贯穿的Ai绘画插图。但另一方面，AI的特质也可能冲击我们社会的现有认知观念。
台风中的小渔船丨Ai生成丨Midjourney 5.2
回到华为盘古AI气象模型，AI在气象预报领域的应用正在持续发展并显示出巨大潜力。随着计算资源的增强，例如更强大的GPU、更大的内存和更高的浮点运算能力，以更多气象要素训练网络模型，加入时间维度训练4D深度神经网络，以及简单地使用更大的神经网络等方式，AI预报方法将有大幅度提升的空间。
华为官网
盘古模型的可应用举例
然而，尽管华为盘古AI气象模型在气象预报的某些方面已经超越了传统方法，但它并不能完全取代传统方法。例如，尽管AI模型在全球预报上有显著优势，但也存在一些问题，例如总是低估台风强度，或预测的可解释性不足。因此，AI方法和传统方法需要深度融合，以充分发挥各自的优势。
Ai生成丨Midjourney Niji5
在其他领域，我们也应该以正确的态度看待AI，既要看到其实质的优势，也要警惕其潜在的风险。正如太平洋网络董事长林怀仁先生在最近做客光明网“网络强国·百人谈”栏目时表示“不论是自媒体、传统媒体、机构媒体，都可以把AI当做提升基本内容质量和效率的有力工具，长远看AI的提升空间和想象空间都更加巨大。”我们需要学会辨认哪些内容是AI创作的，并且让AI为我们所用，让这个具有神经网络模式，具备自主学习的划时代工具成为我们的学习生活的好工具。
