超强台风巴威来势汹汹 AI与传统计算机模型的比拼
作者：Alex Hui, Wai-Pang Sze
超强台风巴威正沿着西太平洋副热带高压西南部，采取偏西北的路径，趋向台湾岛东北部沿海，随后于福建至浙江一带登陆，为我国东部带来严重的风雨威胁。另一方面，台风的外围下沉气流也将于接近周末时，为华南沿岸带来极端高温天气。
(图一：联科大气模拟平台 CPAS 预报产品：大气层顶向外长波辐射通量 [1])
从联科自家的联科大气模拟平台—CPAS模式的预测可见，台风巴威的环流结构相当广阔，虽然巴威的风眼结构会在靠近陆地时有所削弱，但其登陆前仍会维持相当的强度。
近年来，人工智能 AI 天气预报模式崛起，在热带气旋路径及强度的预测上，已展现出与传统物理预报模式并驾齐驱的实力 [2]，这不禁令人好奇：这两大阵营的运作原理，究竟有何不同？
如果把天气预报比喻成一场大型高考，那么初始的大气观测数据就是“题目”，最终的预测结果则是“答案”。面对同一份试卷，气象界有两种截然不同的学生：传统物理预报模式就像是一位“物理学霸”，严格遵循公式步步推算。他手拿流体力学、热力学公式，一笔一画在黑板上按原理推导求解。这种做法计算成本较高且耗时较长，且高度依赖准确的近似或简化公式作为工具。但他的优势在于物理因果关系清清楚楚，犯错时容易回溯原因。而且他也不怕没见过的考题，即使遇到历史罕见的极端天气，只要物理定律没变，理论上他就能一步步推算出合理的结果。
现在的AI模式则可比喻成另一种“猜题高手”。他不用理解物理公式，只需要把过去几十年所有历史试卷中的题目与答案都死记硬背下来，再通过深度学习掌握之中的演变规律。他的优势在于耗费的计算资源低，能很快便“交卷”。然而，它极度依赖自己的历史题库。随着气候变化加剧，大自然正在改变考试范围，前所未有的极端“黑天鹅事件”正变得更加频繁。尽管各大 AI 模式已在这方面下足苦功，但面对超出历史经验的极端天气时，其预测能力仍存有不确定性。
让我们一起看看这次台风巴威的实战演练：在整体路径趋势上，传统和 AI 模式大致一致，皆预测巴威会采取“先向西、后转西北”的路径趋向中国东部沿海。不过，仔细一看的话， 7 月5日及 6 日的预报显示，双方对台风路径向北偏的分量出现了微妙的分歧：传统物理模式的预测路径较南，认为巴威会相当接近、甚至直接横穿台湾岛北部，随后在福建北部至浙江南部一带登陆；而AI模式的预测路径则较偏北，认为巴威会离台湾岛较远，并直接趋向浙江北部以至上海一带。而随着风暴继续发展，两者的预测路径已互相靠拢，分歧正逐渐缩小。
(图二：7月5日及6日北京时间早上8时CPAS、欧洲 ECMWF、美国GFS传统模式及 Google FNV3 [集合平均] AI模式的预测路径)
造成这场分歧的核心原因，相信是双方对副热带高气压（副高）的强度预测有所不同。以欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 在7月6日北京时间早上8时的 500 hPa 层面预测图为例：ECMWF的传统物理模式 (IFS) 预报96小时后的 5880米位势高度线[3] 较偏西，反映其预测的副高位置较西，因此气流会引导台风采取较偏西的路径，逼近台湾岛。而其自家的AI模式 (AIFS) 所报出的5880米位势高度线则较东，反映其预测的副高位置较偏东，台风因而采取较偏北的路径。虽然 ECMWF 的 AI 模式可以通过高层气压场尝试找出分歧原因，但另一个主流 AI 模式 — Google FNV3 的集合预报则仅公布了预测路径，并未公开背景的大气场资料。这导致它就像一个“黑箱”般，外界只知道它给出了答案，却无从得知背后的物理推导逻辑。这正是目前部分 AI 模式在气象应用上面临的另一大盲点。
(图三：ECMWF 7月6日北京时间早上8时 传统物理模式 (IFS) 及AI模式 (AIFS) 的预测，蓝色线为5880米位势高度，即副高的势力范围；来源：tropicaltidbits.com )
无论如何，在AI模式崛起的同时，传统物理模式仍然有其不可替代的参考价值，两者可谓相辅相成。随着巴威靠近我国东部沿岸，受影响地区的民众务必密切留意气象动态，听从bg灾部门指示，尽早做好防风与防内涝的准备。
[1] 大气层顶向外长波辐射通量 (Outgoing Longwave Radiation, OLR；单位为 W/m²) 是对流活动的指标。对流越强，对应之云顶高度通常越高，即云顶温度越低，大气层顶层顶向外长波辐射量OLR就会越小，即图中较亮白的部分。
[2] 香港天文台 人工智能模式在天气预报中的应用 https://www.hko.gov.hk/tc/education/weather/data-and-technology/00761-Applications-of-Artificial-Intelligence-Models-in-Weather-Forecasting.html
[3] 500hPa 层面位势高度与高气压强度正相关，高度越高代表高气压越强。在气象学上，通常以 5880米线作为副热带高压的边界线。