帶你認(rèn)識(shí)天氣預(yù)報(bào)前沿技術(shù)

帶你認(rèn)識(shí)天氣預(yù)報(bào)前沿技術(shù)3位統(tǒng)計(jì)?學(xué)家去打獵，發(fā)現(xiàn)了1只鴨子。第一槍過(guò)高，子彈越過(guò)了鴨子的頭部。第二槍有點(diǎn)低，子彈在鴨子腹部以下飛過(guò)。第三位統(tǒng)計(jì)學(xué)家則跳上跳下，最終大喊：“我們抓住它了!"這或許不是獵獲水禽的最佳方式，但在它們的棲息地，研究人員發(fā)現(xiàn)類似漫無(wú)口的方式對(duì)預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)行為非常有效。實(shí)際上，"隨機(jī)"技巧被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)和天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。但它們卻從未在最受人矚口和最飽受爭(zhēng)議的預(yù)測(cè)領(lǐng)域一一氣候模型中找到歸宿。在氣候模型領(lǐng)域，研究人員通常以確定性解決方案為L(zhǎng)I標(biāo)：從越來(lái)越詳細(xì)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)模擬中得到氣候?qū)⑷绾雾憫?yīng)溫室氣體排放等輸入因素的單一情節(jié)。這些結(jié)論具有科學(xué)意義，但有批評(píng)者指出，由于其自身的復(fù)雜性，該模型已經(jīng)變得不再實(shí)用。這棟房子原來(lái)有兩層，現(xiàn)在卻有8層。它承受著所有的重量，而墻壁正在出現(xiàn)裂紋。給你兩個(gè)選擇，你可以進(jìn)去，加固基礎(chǔ)，或者是時(shí)候建一座新房子了。氣候模型預(yù)測(cè)結(jié)果不良的一個(gè)主要原因是這并非它們被設(shè)訃用來(lái)做的事。研究人員主要為另一個(gè)LI標(biāo)而設(shè)計(jì)了它們：在全球尺度上探索該系統(tǒng)不同部分的相互作用。這些模型首先通過(guò)將大氣劃分為山像箱子一樣元素構(gòu)成的巨大3D網(wǎng)格，水平邊緣通常100公里長(zhǎng)、1公里高?；谖锢韺W(xué)定律的方程式則用來(lái)描述每個(gè)箱子里的變量如何影響臨近箱子中的匹配變量，這些變量主要是壓力、溫度、濕度和風(fēng)速。對(duì)于那些在比網(wǎng)格更小的尺度上運(yùn)行的過(guò)程，例如云體形成，科學(xué)家通過(guò)利用它們?cè)谶^(guò)去數(shù)年中已經(jīng)改進(jìn)的確定性公式與網(wǎng)格元素相結(jié)合，以描繪其典型行為。然后，通過(guò)利用超級(jí)訃算機(jī)將整個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來(lái)解決這些方程式。該方法已經(jīng)被證明在探索地球氣候系統(tǒng)方面非常有用，例如，化石燃料排放、大氣中的二氧化碳以及全球氣候變化間的相互影響。但當(dāng)需要預(yù)測(cè)未來(lái)氣候何地、何時(shí)和如何嚴(yán)重變化時(shí)，它將難以達(dá)到要求。例如，去年科學(xué)家系統(tǒng)地對(duì)照了20個(gè)重要?dú)夂蚰Ｐ偷念A(yù)測(cè)和過(guò)去60年的氣候數(shù)據(jù)。專家表示，結(jié)果令人失望。這些模型在預(yù)測(cè)全球平均表面氣溫方面結(jié)果較好,并且在大西洋也有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值，但在預(yù)測(cè)廣闊的太平洋方面兒乎沒(méi)有作用。專家提到，最綜合的模型未必是最有效的。當(dāng)氣候?qū)W家不斷向模擬過(guò)程增加組件時(shí)一一詳細(xì)到葉片生長(zhǎng)和口蟻分布，這些模型會(huì)變得臃腫不堪，并且運(yùn)行緩慢，無(wú)法得岀更好的結(jié)論。"這是一個(gè)根本問(wèn)題。他們正試著增加所有東西。而且，這些模型中一部分無(wú)法很好地模擬自然，一些老的問(wèn)題尚未解決。在諸如模擬降雨和云體形成等事件上，進(jìn)展緩慢得令人痛苦。大部分問(wèn)題可以歸結(jié)為網(wǎng)格分辨率。事實(shí)是，模型的細(xì)節(jié)水平并不真正取決于科學(xué)的約束。它完全由計(jì)算機(jī)尺寸決定。粗略而言，計(jì)算能力增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，網(wǎng)格尺寸要減半。典型水平網(wǎng)格尺寸已經(jīng)從上世紀(jì)70年代的500公里降到了U前的100公里，并且將在10年時(shí)間里降到10公里。但專家指出，即使這樣也將不會(huì)對(duì)模擬云體形成等極其重要的小尺度現(xiàn)象有很大幫助。另一方面，在科學(xué)家取得此類細(xì)節(jié)之前，計(jì)算機(jī)運(yùn)行可能會(huì)遭遇一個(gè)物理障礙：能量功耗「口億億次級(jí)別的設(shè)備（每秒進(jìn)行1018浮點(diǎn)運(yùn)算）即將出現(xiàn)，但問(wèn)題是，你可能需要100兆瓦來(lái)運(yùn)行它?！▽＜艺f(shuō)。這些能量足以為一個(gè)10萬(wàn)人的城鎮(zhèn)提供足夠的電能。面對(duì)這些障礙，專家和其他人擁護(hù)一個(gè)新起點(diǎn)。他們表示，氣候模型建造者需要后退，并從天氣預(yù)報(bào)的技術(shù)中獲得靈感。自上世紀(jì)90年代起，研究人員通過(guò)將隨機(jī)方法引入模型，重組了全世界的天氣預(yù)報(bào)。這些也被稱為蒙特卡羅法的技術(shù)，首先山第二次世界大戰(zhàn)期間曼哈頓計(jì)劃的科學(xué)家所開(kāi)發(fā)，以模擬中子擴(kuò)散如何穿過(guò)材料。這個(gè)想法是類似于反復(fù)滾動(dòng)骰子或旋轉(zhuǎn)輪盤：多次計(jì)算產(chǎn)生一系列不同結(jié)果，然后通過(guò)聚合結(jié)果〃優(yōu)化〃模型，將它們與經(jīng)驗(yàn)觀測(cè)值相比較?，F(xiàn)在，相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)和工程學(xué)的許多分支中，甚至計(jì)算機(jī)生物學(xué)家也用其模擬細(xì)胞膜或蛋白質(zhì)。為了將該方法應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)，模型專家將小型隨機(jī)擾動(dòng)引入原始天氣條件中。通過(guò)使用略有不同的原始條件多次運(yùn)行該模型一一一種被稱為組合模型的方法，該中心產(chǎn)生了更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)。該方法已經(jīng)被全世界大部分重要天氣預(yù)報(bào)所采納。專家表示，息息相關(guān)的方法將改變氣候模型。一個(gè)主要差異體現(xiàn)在時(shí)間尺度上：與天氣模型建造者不同一一他們能快速發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確，而氣候研究人員要考慮未來(lái)數(shù)十年的情況。要優(yōu)化模型，他們必須輸入某一年的氣候記錄，以觀察它如何預(yù)測(cè)未來(lái)十年的氣候模式。專家還指出，隨機(jī)模型將能控制氣候系統(tǒng)的組成部分，這些部分對(duì)傳統(tǒng)的確定性模型而言因太過(guò)不穩(wěn)定而難以處理。他提到，例如，熱帶雷暴系統(tǒng)對(duì)全球氣候系統(tǒng)“非常重要〃。但山于它們的核心僅有數(shù)公里寬，普通的模型網(wǎng)格無(wú)法捕捉到它們，并且固定的數(shù)學(xué)描述包含“重大錯(cuò)誤"。研究人員還建議了若干補(bǔ)充方法，以便將此類方法包含入氣候模型中。這些觀點(diǎn)包括通過(guò)允許晶體管級(jí)的隨機(jī)誤差使得超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更快以及通過(guò)在不同尺度上對(duì)不同過(guò)程建模以減緩計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)等。在另一個(gè)方法中，模型專家將提取現(xiàn)有氣候模型的特定組件，例如模擬云體形成的子程序，并利用隨機(jī)相等物進(jìn)行替代。研究所數(shù)學(xué)家同事正在這樣做。他發(fā)現(xiàn),將一個(gè)隨機(jī)云模擬插入大氣研究氣候模型將近乎復(fù)制出一種重要的熱帶天氣模式。一些研究人員相信此類方法只有當(dāng)創(chuàng)立全新氣候模型后才能檢驗(yàn)/理想情況下,我認(rèn)為我們需要回去從頭設(shè)計(jì)模型。你確實(shí)想在基礎(chǔ)水平上建立隨機(jī)性，以便使其與基本物理定律更一致?！捌渌艘部赡芨M(jìn)一步，并且在氣候記錄統(tǒng)訃數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)氣候變化。英國(guó)倫敦政治經(jīng)濟(jì)學(xué)院的