今年1月8日，IBM高調宣佈，它們將在2019年晚些時候引入世界上分辨率最高的全球天氣預報模型——全球高分辨率大氣預報系統(GRAF)。

　　根據介紹，它將是第一個每小時更新一次的全球天氣模型，它能夠預測地球上幾乎任何地方像雷暴這樣的小尺度天氣系統。

　　這一新聞在全球發酵至今。

　　它預報是否準確？是否具有顛覆性？

　　從幾年前松下公司開發全球預報模式開始，IBM、美國Spire等私人公司都開始嘗試自主研發預報模式。如今IBM推出GRAF，原有相對穩定的政府主導競爭模式或將被打破。

　　這些對習慣於參考區域或國家官方數值預報模式的全球預報員們意味着什麼？又會給氣象服務帶來哪些變革？

　　本期，我們邀請了來自官方業務部門、科研研所、企業的四位專家學者，爲大家深度解讀。

　　背景·何爲GRAF？

　　GRAF框架來源於MPAS（跨尺度預報模式），後者由美國國家大氣科學研究中心和洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯合開發。

　　2014年，美國開展下一代全球預報系統評比項目，最後5家進入決賽。單純從評價指標看，名爲FV3的模式位列第一，MPAS排名第二。於是，FV3成爲美國下一代全球預報系統。

　　（圖片來源：NOAA）

　　而MPAS另謀出路，和IBM聯合開發。

　　（製圖：盧健）

　　Weather Underground網站的聯合創始人傑夫·馬斯特斯詳細介紹了IBM的這一新模式。

　　3公里

　　他介紹說，目前最流行的全球氣象預報模型，歐洲ECMWF模型和美國GFS模型，將全球大氣細分爲平均9公里和13公里的網格，然後求解大氣流動的數學方程，生成每個網格單元的預報。

　　而新的GRAF模型使用蜂窩狀可變分辨率網格，可以在特定區域配置更高的分辨率。在陸地上，GRAF平均分辨率爲3公里，大約是ECMWF和GFS模型的3至4倍。

　　（蜂窩狀可變分辨率網格圖片來源: IBM）

　　（2018年8月印度的季風預報，左圖顯示的是分辨率爲13公里的全球天氣模式。 右圖中，新的 IBM 全球高分辨率大氣預報系統(GRAF)以3公里的分辨率運行，顯示了更多的細節，更新的頻率比目前最高的全球預報模型高出6到12倍。 圖片來源: IBM）

　　1小時

　　GRAF每小時運行一次，而GFS每6小時運行一次，ECMWF每12小時運行一次。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA） 的高分辨率快速刷新模型 （HRRR） 每小時運行一次，分辨率爲3公里，但只覆蓋美國。

　　值得一提的是，GRAF模型在預測登陸颶風的降雨量方面表現很好，正如它在回算2018年“佛羅倫薩”和2017年“哈維”中做到的那樣。

　　GPU

　　GRAF運行在一個能夠處理大量數據的硬件平臺上。它包括圖形處理單元 （GPU），可以加速工作負載以獲得更快的性能。GRAF是在GPU上運行的第一個可操作的全球模型。GPU通常用於電子遊戲和其他圖形密集型軟件，當許多計算必須並行進行時，它比傳統的中央處理單元（CPU）效率高得多。

　　社會化觀測數據

　　每個天氣模型都需要觀測數據進行初始化預報，GRAF使用與GFS相同的初始數據。然而，GRAF可以通過使用智能手機的壓力傳感器讀數來衆包額外的天氣數據。此外，成千上萬的夏季氣象站（其中許多由業餘氣象愛好者操作），也能夠爲模型提供數據。

　　總而言之，GRAF模式對於天氣預報來說是一個很有前途的新業務。特別酷的是，該模型有可能利用互聯網的力量，帶來額外的高分辨率人羣來源數據。只要在智能手機上安裝TWC天氣公司的應用程序，任何人都可以分享他們的個人氣象站或者智能手機天氣數據，從而使預報更加準確。

　　七問·專家探討

　　GRAF會優於業界第一ECMWF嗎？

　　“目前看不會”

　　中國氣象科學研究院專家 謝元富：

　　從目前來看，特別是在中期（3天至10天）預報方面，GRAF不會優於ECMWF模式。ECMWF是國際氣象界公認的最好全球中期預報的譜模式。

　　雖然IBM宣稱GRAF在模擬過去兩個颶風案例時表現很好，但做模擬和做實時預報完全不同。實時預報沒有可控性。很多模式模擬的結果可能比ECMWF還要好，但做起實時預報就有差距了。

　　要趕上或超過ECMWF，不光是靠工程能力，更是嚴謹的數學物理能力。

　　GRAF真的優於美國官方寄予厚望的FV3？

　　“存在偏見”

　　中國氣象局數值預報中心模式研發室副主任 韓威：

　　就模式本身能力而言，GRAF的前身MPAS曾與FV3一起參與美國下一代全球預報系統評比，FV3獲勝，但目前FV3在業務化中出現了很多問題，尤其是前不久，美國波士頓冬天的總降雪量約15釐米，但FV3預測的降雪量“多次”高達76釐米，引起業界爭論，甚至被吐槽爲“美國天氣預報的災難”。此時一些人評價當初就更看好MPAS模式。

　　而我認爲這有所偏見，FV3業務化中出現的問題，並不是動力框架的問題，而是從研究走向業務，少有一帆風順的。

　　MPAS也是如此，不能簡單判斷該模式的優劣性，需要實踐檢驗和不斷完善。

　　GRAF真正實現了全球3公里分辨率？

　　在“某些區域”

　　中國氣象科學研究院專家謝元富：

　　GRAF並不是嚴格意義上的全球3公里分辨率模式，它使用了“非結構化網格”，即對某些區域如美國，實現配置更高的分辨率，而在海洋等其他區域則降低分辨率。

　　中國科學院大氣物理研究所一不願透露姓名的學者：

　　就特定區域來講，不少國家甚至同一國家的不同地區都有3公里，甚至精細化程度更高（例如，1公里）的區域預報模式。

　　（在天河二號支持下，廣州市1公里精細化數值模式每12分鐘滾動預報未來6小時天氣，實現了分鐘級快速更新，大幅提高了華南地區極端天氣事件的預報效率。 圖片來源：CNIC）

　　中國氣象科學研究院專家謝元富：

　　而且它也不能算“首個”能做全球3公里預報的模式。日本全球雲系統分辨率模型（NICAM）運行過全球3公里分辨率的模式，ECMWF運行過2.5公里的，NASA嘗試過1.5公里的。

　　GRAF預報是否準確？

　　尚未公佈TS評分，目前無法得知

　　彩雲天氣創始人、CEO 袁行遠：

　　對於全球天氣預報而言，IBM推出的GRAF並沒有太多的顛覆性。對於數值預報而言，時空分辨率並不是唯一的評價標準，關鍵是TS評分，是準確率。但這次IBM高調推出模式卻沒把準確率秀出來，不談準確率的預報模式都是耍流氓。

　　彩雲天氣幾年前就通過人工智能手段，做時間分辨率爲1分鐘空間分辨率爲1公里級的預報系統，儘管技術體系不同，但同樣被市場所接受。如果不談準確率，只從分辨率來判斷模式的優劣，IBM目前並不算領先。

　　實現逐小時更新和全球3公里分辨率，GRAF最大的技術王牌是什麼？

　　IBM的高性能計算絕對算一個

　　中國科學院大氣物理研究所一不願透露姓名的學者：

　　個人認爲，當模式分辨率提高後（例如，5公里分辨率以下），可以更好地直接分辨中小尺度雷暴過程，3公里分辨率可以不使用積雲對流參數化方案，而採用顯式方案，從而一定程度上消除積雲對流參數化方案的不足，得到更好的預報效果，這是目前高分辨率區域天氣預報模式都會採用的方法.

　　只是就全球數值天氣預報模式來講，提高分辨率意味着海量計算資源需求，而高性能計算正是IBM的優勢。

　　中國氣象科學研究院專家謝元富：

　　同樣的，逐小時更新的時間分辨率和模式本身沒有直接關係，與運算能力相關。這也是IBM的優勢。

　　中國科學院大氣物理研究所一不願透露姓名的學者：

　　限制數值天氣預報模式發展的一個重要因素就是計算能力。

　　GPU可提供高性能計算能力，在大型矩陣運算、圖形運算等方面較傳統的CPU具有優勢，因此可以滿足全球高分辨率數值天氣預報模式的計算需求。

　　目前，全球各主要天氣預報模式都在探索基於GPU的模式運算。

　　高性能計算是IBM的優勢，IBM有望建成首個基於GPU的全球業務數值天氣預報模式，從這一點上講，IBM的GRAF是領先的。

　　以後，普通人手機傳感器觀測的溫溼度數據都可以進入數值預報模式？

　　需要像GRAF一樣的高水平質量控制

　　中國科學院大氣物理研究所一不願透露姓名的學者：

　　個人認爲，目前，社會化氣象觀測數據（衆包數據）已經有了較快發展（例如，IBM收購的美國Weather Underground公司的私人氣象站數據等），這些數據對氣象業務部門以及其他相關部門的監測數據會是有益的補充，但對於這些數據的質控也是很大的挑戰，美國在這方面具有一定優勢。

　　跨國大企業做天氣預報，意味着什麼？

　　要技術自信 也要開放合作

　　彩雲天氣創始人、CEO 袁行遠：

　　雖然IBM這樣的跨國大企業做天氣預報，但單純從技術上說，至少目前彩雲天氣還沒有過多地感受到壓力。彩雲天氣有自己的技術體系，並且已經進軍了美國市場，甚至可以讓國際市場感受一下中國氣象企業的威力，要對我們自己的技術有自信。

　　中國氣象局數值預報中心模式研發室副主任 韓威：

　　IBM推出GRAF，有自媒體評價，未來，必須在氣象局、氣象公司、高校和公衆的角色定位等核心問題上達成共識，建立三方合作共贏機制，才能實現從國家氣象事業，到民族氣象產業，以及人類氣象科學的騰飛。這一點，我完全贊同。

　　未來·行動

　　只需查看手機，人們就能提前知道風暴何時何地來襲。這項服務在富裕的國家和地區非常普遍，但不是地球上所有國家都能享受這種服務。

　　儘管各科學機構對IBM推出的號稱能夠實現陸地平均3公里分辨率的GRAF模式，持觀望態度，試圖從模式的動力框架分析它的準確性，探討其可用前景，但不可否認，IBM可能會改變上述現狀。

　　此前，IBM通過天氣這個小切口，已在全球範圍佈局物聯網系統、開展雲服務，例如在天氣數據處理平臺上，運算天氣、汽車速度、里程、胎壓、交通條件等數據，反饋給汽車公司變更下一代產品。如今，從數據到模式，IBM似乎正在搭建氣象服務產業鏈的戰略佈局。畢竟IBM有着業界領先的運算資源；收購TWC天氣公司，顯示出它進軍數字地球領域的野心；擁有人工智能平臺沃森，具有強大的大數據分析能力；又是商業巨頭，深耕全球市場。

　　除了IBM以外，日本松下、美國Spire等公司都在耕耘自己的全球數值模式。原有相對穩定的競爭模式將被打破，氣象服務的跨國、跨行業競爭將會日趨激烈。

　　我國氣象服務市場這塊“大蛋糕”引人垂涎，美日等國的氣象公司已在我國設立分支機構，並且承攬了一定的業務。但整體而言，我國氣象服務市場化程度較低，商業氣象服務剛剛起步，核心競爭力不強，面對國外氣象公司的大舉進入，尚無力抵抗，我國氣象服務方整體處於戰略防守地位。

　　中國氣象服務，準備好IBM們的衝擊了嗎？

　　應對全球化挑戰任重道遠。除了廣泛的交流合作、一定的市場政策之外，我國氣象服務方打鐵還需自身硬，要加強人才培養和技術創新，加快提升核心競爭力。同時，還要做好走出去的思想和技術準備，形成產業上下游鏈條，提高企業風險承擔能力。