今年1月8日，IBM高调宣布，它们将在2019年晚些时候引入世界上分辨率最高的全球天气预报模型——全球高分辨率大气预报系统(GRAF)。

　　根据介绍，它将是第一个每小时更新一次的全球天气模型，它能够预测地球上几乎任何地方像雷暴这样的小尺度天气系统。

　　这一新闻在全球发酵至今。

　　它预报是否准确？是否具有颠覆性？

　　从几年前松下公司开发全球预报模式开始，IBM、美国Spire等私人公司都开始尝试自主研发预报模式。如今IBM推出GRAF，原有相对稳定的政府主导竞争模式或将被打破。

　　这些对习惯于参考区域或国家官方数值预报模式的全球预报员们意味着什么？又会给气象服务带来哪些变革？

　　本期，我们邀请了来自官方业务部门、科研研所、企业的四位专家学者，为大家深度解读。

　　背景·何为GRAF？

　　GRAF框架来源于MPAS（跨尺度预报模式），后者由美国国家大气科学研究中心和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合开发。

　　2014年，美国开展下一代全球预报系统评比项目，最后5家进入决赛。单纯从评价指标看，名为FV3的模式位列第一，MPAS排名第二。于是，FV3成为美国下一代全球预报系统。

　　（图片来源：NOAA）

　　而MPAS另谋出路，和IBM联合开发。

　　（制图：卢健）

　　Weather Underground网站的联合创始人杰夫·马斯特斯详细介绍了IBM的这一新模式。

　　3公里

　　他介绍说，目前最流行的全球气象预报模型，欧洲ECMWF模型和美国GFS模型，将全球大气细分为平均9公里和13公里的网格，然后求解大气流动的数学方程，生成每个网格单元的预报。

　　而新的GRAF模型使用蜂窝状可变分辨率网格，可以在特定区域配置更高的分辨率。在陆地上，GRAF平均分辨率为3公里，大约是ECMWF和GFS模型的3至4倍。

　　（蜂窝状可变分辨率网格图片来源: IBM）

　　（2018年8月印度的季风预报，左图显示的是分辨率为13公里的全球天气模式。 右图中，新的 IBM 全球高分辨率大气预报系统(GRAF)以3公里的分辨率运行，显示了更多的细节，更新的频率比目前最高的全球预报模型高出6到12倍。 图片来源: IBM）

　　1小时

　　GRAF每小时运行一次，而GFS每6小时运行一次，ECMWF每12小时运行一次。美国国家海洋和大气管理局（NOAA） 的高分辨率快速刷新模型 （HRRR） 每小时运行一次，分辨率为3公里，但只覆盖美国。

　　值得一提的是，GRAF模型在预测登陆飓风的降雨量方面表现很好，正如它在回算2018年“佛罗伦萨”和2017年“哈维”中做到的那样。

　　GPU

　　GRAF运行在一个能够处理大量数据的硬件平台上。它包括图形处理单元 （GPU），可以加速工作负载以获得更快的性能。GRAF是在GPU上运行的第一个可操作的全球模型。GPU通常用于电子游戏和其他图形密集型软件，当许多计算必须并行进行时，它比传统的中央处理单元（CPU）效率高得多。

　　社会化观测数据

　　每个天气模型都需要观测数据进行初始化预报，GRAF使用与GFS相同的初始数据。然而，GRAF可以通过使用智能手机的压力传感器读数来众包额外的天气数据。此外，成千上万的夏季气象站（其中许多由业余气象爱好者操作），也能够为模型提供数据。

　　总而言之，GRAF模式对于天气预报来说是一个很有前途的新业务。特别酷的是，该模型有可能利用互联网的力量，带来额外的高分辨率人群来源数据。只要在智能手机上安装TWC天气公司的应用程序，任何人都可以分享他们的个人气象站或者智能手机天气数据，从而使预报更加准确。

　　七问·专家探讨

　　GRAF会优于业界第一ECMWF吗？

　　“目前看不会”

　　中国气象科学研究院专家 谢元富：

　　从目前来看，特别是在中期（3天至10天）预报方面，GRAF不会优于ECMWF模式。ECMWF是国际气象界公认的最好全球中期预报的谱模式。

　　虽然IBM宣称GRAF在模拟过去两个飓风案例时表现很好，但做模拟和做实时预报完全不同。实时预报没有可控性。很多模式模拟的结果可能比ECMWF还要好，但做起实时预报就有差距了。

　　要赶上或超过ECMWF，不光是靠工程能力，更是严谨的数学物理能力。

　　GRAF真的优于美国官方寄予厚望的FV3？

　　“存在偏见”

　　中国气象局数值预报中心模式研发室副主任 韩威：

　　就模式本身能力而言，GRAF的前身MPAS曾与FV3一起参与美国下一代全球预报系统评比，FV3获胜，但目前FV3在业务化中出现了很多问题，尤其是前不久，美国波士顿冬天的总降雪量约15厘米，但FV3预测的降雪量“多次”高达76厘米，引起业界争论，甚至被吐槽为“美国天气预报的灾难”。此时一些人评价当初就更看好MPAS模式。

　　而我认为这有所偏见，FV3业务化中出现的问题，并不是动力框架的问题，而是从研究走向业务，少有一帆风顺的。

　　MPAS也是如此，不能简单判断该模式的优劣性，需要实践检验和不断完善。

　　GRAF真正实现了全球3公里分辨率？

　　在“某些区域”

　　中国气象科学研究院专家谢元富：

　　GRAF并不是严格意义上的全球3公里分辨率模式，它使用了“非结构化网格”，即对某些区域如美国，实现配置更高的分辨率，而在海洋等其他区域则降低分辨率。

　　中国科学院大气物理研究所一不愿透露姓名的学者：

　　就特定区域来讲，不少国家甚至同一国家的不同地区都有3公里，甚至精细化程度更高（例如，1公里）的区域预报模式。

　　（在天河二号支持下，广州市1公里精细化数值模式每12分钟滚动预报未来6小时天气，实现了分钟级快速更新，大幅提高了华南地区极端天气事件的预报效率。 图片来源：CNIC）

　　中国气象科学研究院专家谢元富：

　　而且它也不能算“首个”能做全球3公里预报的模式。日本全球云系统分辨率模型（NICAM）运行过全球3公里分辨率的模式，ECMWF运行过2.5公里的，NASA尝试过1.5公里的。

　　GRAF预报是否准确？

　　尚未公布TS评分，目前无法得知

　　彩云天气创始人、CEO 袁行远：

　　对于全球天气预报而言，IBM推出的GRAF并没有太多的颠覆性。对于数值预报而言，时空分辨率并不是唯一的评价标准，关键是TS评分，是准确率。但这次IBM高调推出模式却没把准确率秀出来，不谈准确率的预报模式都是耍流氓。

　　彩云天气几年前就通过人工智能手段，做时间分辨率为1分钟空间分辨率为1公里级的预报系统，尽管技术体系不同，但同样被市场所接受。如果不谈准确率，只从分辨率来判断模式的优劣，IBM目前并不算领先。

　　实现逐小时更新和全球3公里分辨率，GRAF最大的技术王牌是什么？

　　IBM的高性能计算绝对算一个

　　中国科学院大气物理研究所一不愿透露姓名的学者：

　　个人认为，当模式分辨率提高后（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过程，3公里分辨率可以不使用积云对流参数化方案，而采用显式方案，从而一定程度上消除积云对流参数化方案的不足，得到更好的预报效果，这是目前高分辨率区域天气预报模式都会采用的方法.

　　只是就全球数值天气预报模式来讲，提高分辨率意味着海量计算资源需求，而高性能计算正是IBM的优势。

　　中国气象科学研究院专家谢元富：

　　同样的，逐小时更新的时间分辨率和模式本身没有直接关系，与运算能力相关。这也是IBM的优势。

　　中国科学院大气物理研究所一不愿透露姓名的学者：

　　限制数值天气预报模式发展的一个重要因素就是计算能力。

　　GPU可提供高性能计算能力，在大型矩阵运算、图形运算等方面较传统的CPU具有优势，因此可以满足全球高分辨率数值天气预报模式的计算需求。

　　目前，全球各主要天气预报模式都在探索基于GPU的模式运算。

　　高性能计算是IBM的优势，IBM有望建成首个基于GPU的全球业务数值天气预报模式，从这一点上讲，IBM的GRAF是领先的。

　　以后，普通人手机传感器观测的温湿度数据都可以进入数值预报模式？

　　需要像GRAF一样的高水平质量控制

　　中国科学院大气物理研究所一不愿透露姓名的学者：

　　个人认为，目前，社会化气象观测数据（众包数据）已经有了较快发展（例如，IBM收购的美国Weather Underground公司的私人气象站数据等），这些数据对气象业务部门以及其他相关部门的监测数据会是有益的补充，但对于这些数据的质控也是很大的挑战，美国在这方面具有一定优势。

　　跨国大企业做天气预报，意味着什么？

　　要技术自信 也要开放合作

　　彩云天气创始人、CEO 袁行远：

　　虽然IBM这样的跨国大企业做天气预报，但单纯从技术上说，至少目前彩云天气还没有过多地感受到压力。彩云天气有自己的技术体系，并且已经进军了美国市场，甚至可以让国际市场感受一下中国气象企业的威力，要对我们自己的技术有自信。

　　中国气象局数值预报中心模式研发室副主任 韩威：

　　IBM推出GRAF，有自媒体评价，未来，必须在气象局、气象公司、高校和公众的角色定位等核心问题上达成共识，建立三方合作共赢机制，才能实现从国家气象事业，到民族气象产业，以及人类气象科学的腾飞。这一点，我完全赞同。

　　未来·行动

　　只需查看手机，人们就能提前知道风暴何时何地来袭。这项服务在富裕的国家和地区非常普遍，但不是地球上所有国家都能享受这种服务。

　　尽管各科学机构对IBM推出的号称能够实现陆地平均3公里分辨率的GRAF模式，持观望态度，试图从模式的动力框架分析它的准确性，探讨其可用前景，但不可否认，IBM可能会改变上述现状。

　　此前，IBM通过天气这个小切口，已在全球范围布局物联网系统、开展云服务，例如在天气数据处理平台上，运算天气、汽车速度、里程、胎压、交通条件等数据，反馈给汽车公司变更下一代产品。如今，从数据到模式，IBM似乎正在搭建气象服务产业链的战略布局。毕竟IBM有着业界领先的运算资源；收购TWC天气公司，显示出它进军数字地球领域的野心；拥有人工智能平台沃森，具有强大的大数据分析能力；又是商业巨头，深耕全球市场。

　　除了IBM以外，日本松下、美国Spire等公司都在耕耘自己的全球数值模式。原有相对稳定的竞争模式将被打破，气象服务的跨国、跨行业竞争将会日趋激烈。

　　我国气象服务市场这块“大蛋糕”引人垂涎，美日等国的气象公司已在我国设立分支机构，并且承揽了一定的业务。但整体而言，我国气象服务市场化程度较低，商业气象服务刚刚起步，核心竞争力不强，面对国外气象公司的大举进入，尚无力抵抗，我国气象服务方整体处于战略防守地位。

　　中国气象服务，准备好IBM们的冲击了吗？

　　应对全球化挑战任重道远。除了广泛的交流合作、一定的市场政策之外，我国气象服务方打铁还需自身硬，要加强人才培养和技术创新，加快提升核心竞争力。同时，还要做好走出去的思想和技术准备，形成产业上下游链条，提高企业风险承担能力。