人類總著迷於遠處的神秘，卻忽略身邊的神奇。
你看，我這標題叫「給地球算命的人」，大家就過來圍觀，若我換個說法 —— 「天氣預報員」，吃瓜群眾估計立馬散去一半，因為大伙兒每天都能在電視手機里看見天氣預報。
但我今天要說的就是天氣預報員，咳咳 …… 你可千萬別覺得他們普通，不知道你有沒有想過一個問題：
從本質上來講，天氣預報就是預測未來。天氣預報員的日常就是用科學知識來「占卜未來」，再把結果告訴老百姓，幫人們「趨吉避凶」。
如此想來，是不是有點 「科學算命」的意思？而且是「真·科學算命」。
預測未來啊朋友們！
著名的哲學家阿甘他媽曾說過，生活就像一盒巧克力，你永遠不知道下一顆的味道。生活也用一次次無情耳光告訴我們：天有不測風雲，人有禍福旦夕。可偏偏天氣預報員就把天上的不測風雲給測了，還測得相當準，簡直就是一場現實魔幻。
那麼問題也來了，天氣預報是怎麼做到精準預測某地幾個小時甚至幾天後發生的事？
帶著這個疑問，么哥上周去重慶拜訪了當地的氣象局，本期圖文就帶大家走近科學，揭曉天氣預報背後的科技小秘密。
天氣預報的原理
天氣預報自古以來就有，但是古代的天氣預報跟現代天氣預報完全不是一碼事，在人類99.99%的歷史進程中，天氣預報都主要靠經驗和玄學。
比如《三國演義》里諸葛亮借東風時就先擺個祭壇，來一段吹拉彈唱唬住周瑜，然後悄悄咪咪看天上的雲，用自己在南陽耕田時學到的天氣知識來判斷天氣。
《三國演義》片段
由於天氣和衣食住行息息相關，我國勞動人民很早就總結出了各種口訣，用來預測氣候和天氣變化規律。譬如「早霞不出門，晚霞行千里」、「天上鉤鉤雲，地上雨淋淋」、「久晴大霧必雨，久雨大霧必晴」等等。
其他國家也有類似的，比如美國有一句諺語叫「Red sky at night, sailors delight」，翻譯過來是「傍晚天氣紅，水手樂無窮」。
在科學觀念形成之前，少有人關心口訣背後的氣象原理，只要管用，便代代相傳。但「口訣大法」有個大BUG：沒有量化數據，導致它像一些傳統中醫偏方一樣時靈時不靈。
比如：
「天上鉤鉤雲，地上雨淋淋」—— 到底啥樣的叫鉤鉤雲？九十度鉤、70度鉤還是耐克鉤？雨淋淋是多大雨？當天就下雨還是三天以後下雨？
「早霞不出門，晚霞行千里」—— 多少霞才算霞？稍微有一點霞光算不算？我剛剛就在窗外拍到一點紅不紅黃不黃的霞光，能不能行千里呢？
隨手拍的照片
「久晴大霧必雨，久雨大霧必晴」—— 「久」是指一個星期還是一個月？多大算大霧？久晴大霾會不會下雨？
「傍晚天氣紅，水手樂無窮」就更不靠譜了—— 「天氣紅」是大紅、橘紅、姨媽紅還是小粉紅？對應哪種口紅色號？水手樂無窮到底是有多樂、多窮？
這就好比你跟著王師傅學做菜，他說「加入適量的底油滑鍋」，你根本不知道他的「適量」是多少，他說「加入少許白糖」，你也只能瞎猜。同樣，傳統的口訣式天氣預報多多少少帶著一些「猜」的味道。
直到後來，越來越多的氣象測量設備出現，比如氣溫計、濕度計、降水量筒、氣壓計、風向風速儀、雲和能見度探測儀……乃至氣象雷達和衛星，氣象觀測這才慢慢從定性到定量，從模糊到精準。
各種現代設備、儀器的使用，像是給地球做了一個全方位體檢，各種指標盡收囊中。
其中雷達和衛星最為重要。重慶市氣象局的顧建峰局長告訴我，氣象衛星和雷達通過發射或接收各種電磁波信號，來感知雲高、雲量、溫度、濕度、風和空間環境等信息，監測降水、強對流、雷電等天氣過程。
但如果只是做到精準觀測，並不足以準確預報天氣，因為「觀測」和「預測」是兩碼事，就好比你知道此時股票的價格和各項指標，也很難準確預測明天是漲還是跌。
同樣，儀器設備永遠只能獲得當前時間的氣象狀態，而天氣預報員卻要預測未來的天氣。
中國有個成語叫「白衣蒼狗」，形容天上的雲一會兒像條白衣，一會兒像條柯基，比喻世事瞬息萬變。衛星雲圖和雷達回波圖雖然能給地球「拍照」，但誰知道它兩個小時、兩天以後會變成什麼樣子呢？
（衛星雲圖和雷達回波圖）
在很長一段時間裡，氣象工作者就拿著當前時間的圖紙數據，靠氣象理論和經驗來「推測」之後發生的一切。
雖然這比「口訣大法」要准不少，但仍然只能估摸個大概，沒法做到定時、定點、定量，準確度主要決定於預報員的業務水平。
真正帶領天氣預報跨過分水嶺的是一種名叫「數值天氣預報」的預測方法。
1904年，挪威的科學家貝傑克尼斯提出，既然宇宙萬物都遵循物理定律，那麼完全可以用數學方程式來計算、推演天上的雲（水蒸氣團）、風（流動的空氣）等氣象要素的變化情況。
這套理論其實蠻好理解，學過初中物理的淺友大多做過類似這樣的題：
「一個小車的初速度是A，受外力狀況是B，摩擦力是C … … 求D秒後小車的狀態和速度。」
在解這麼一道題時，你就對小車進行了一次「未來推演」。
天上的雲、空氣、山峰、這些都可以看作是無數個「小車」，只不過因為演算氣象要考慮的因素稍微多一些，所以公式也比初中物理題稍微複雜一丟丟。
類似這樣：
呃……好像不止複雜一點點
由於計算太複雜，這套理論嚇跑了所有人，一直放了整整十二年，直到1916年才有另一位叫理查遜的英國科學家斗膽嘗試。
他把地圖上的空間劃分成橫豎的棋盤格子，一格一格地計算，試圖推演某個格子的氣壓變化，由於當時計算機還沒發明，他只能手工計算，經過長達6個星期的計算，他成功推算出了6個小時後當地氣壓的預測值。對照真實情況一看，錯得一塌糊塗。（即使對了也沒啥用）
但科學精神永不言棄，儘管推演失敗，理查遜依然把經驗整理出版，他盼望著有一天計算速度提高，讓這套方法變得切實可行。
這一盼就到了三十年後，世界上第一台通用數字電子計算機「ENIAC」誕生，運算速度達到每秒 5000 次加法運算。
世界上第一台通用數字電子計算機
參與研發計算機的科學家馮·諾依曼（沒錯就是那位計算機之父）很快想到計算機能用來預測天氣，跑去跟美國軍方申請項目，又經過四年努力，他們終於完成世界上第一次基於計算機推演的數值天氣預報，轟動整個科學界。
可能你已經注意到一件事，馮諾依曼申請數值天氣預報的科研項目，找的不是學校也不是政府，而是軍方。在那個年代，天氣預報放在任何一個國家都是軍事秘密。
重慶市氣象局的顧建峰局長告訴我，早在民國時期，國民政府成立的第一個國家級的氣象機構「中央氣象局」，現址就在重慶的沙坪壩區氣象局，當時也主要為軍隊服務。
直到改革開放以後，我國的經濟發展嗖的一下坐上火箭，黨中央出於經濟建設和防災的考慮，才把國家級氣象機構從中國人民解放軍直屬單位轉成國務院直屬單位，在為國防服務的同時，也為老百姓謀些福利。
不過，直到八十年代，「數值天氣預報」才開始逐漸被我國各級氣象部門普遍使用。在此之前，國內的主流預測方法還是上文中提到的「氣象理論分析和經驗推測」。
1980年央視第一版天氣預報奏響《漁舟唱晚》
從那之後，我國氣象部門又經歷了從手繪數值計算氣象圖到計算機自動化繪圖的變遷，直到今天，人們隨時打開手機都能看到精確到小時的天氣預報。
少有人想到，這背後其實是天上地下眾多先進設備、儀器和科研人員協作的結果。
每隔幾分鐘，各處的數據就傳輸彙集到一起，經由計算機推演計算，天氣預報員分析判斷，再加工處理成普通人能看懂的「天氣預報產品」，最終才呈現在人們面前。
天氣預報為啥「不准」？
我在氣象局溜達參觀時，拍到這樣一張照片：
「儘管難以達到百分之百的準確，我們仍要付出百分之百的努力」
很多人吐槽天氣預報不準，不消說，氣象部門比誰都更清楚，這不是沒辦法麼！天氣預報既然是預測，本就不可能百分之百準確。
不過么哥還是得替他們說句公道話，從數據上來看，其實現在的天氣預報已經能做到超過85%的準確度，也就是「十有八九」是準的，起碼比那些預測樓市股市要准多了。
之所以大家覺得天氣預報「特別不准」，很大程度上是心理原因，天氣預報準的時候，大家並不會驚呼。
可一旦不准就立馬成為談資，這才留下「特別不准」的偏見。
不過話說回來，為什麼天氣預報沒法做到100%準確呢？
氣象局的一位技術小哥告訴我，大氣運動是個非常複雜的過程，數值天氣預報的方程組雖然能演算，但畢竟是把實際情況抽象成理想的數學物理模型，很難真實而全面地反應大氣運動規律。
並且，數值天氣預報用到的原始方程組根本求不出解析解，只能求出數值解（可以理解為近似值），因此會有一定的誤差。
另外，數值天氣預報把實際空間劃分成一個個方塊來計算，那麼方塊內部發生的細微大氣變化就沒辦法反映，就像打了馬賽克會丟失一部分信息一樣。
但老天爺可不管你這些，「蝴蝶效應聽說過沒？一隻蝴蝶煽動翅膀都能導致遠處的龍捲風，所以計算誤差也好、觀測誤差也罷，都會隨著時間推移而不斷放大，導致截然不同的結果。
哎，這就是人生呀~」
小哥瞬間從一位氣象學工作者變成了一位哲人。
重慶市氣象台的技術小哥
天氣預報的難度也跟當地的地形地勢有關，平原地區的天氣相對好判斷，而重慶三面環山，大氣抵達後很容易形成渦旋，就像是原本平靜的河水流過石頭就容易形成湍流，變得難以捉摸。
顧建峰局長曾「炫耀」說，中國近現代的大多數氣象學大師都是從重慶走出來的。我想不排除一個可能：重慶複雜的地形讓它變成了「氣象研究者的練兵場」，使得從這裡走出的氣象工作者個個都是人才。
重慶的地形讓暴雨預報變得相對困難
話說回來，天氣預報的準確度瓶頸有沒有可能突破？
其實有。
顧局長告訴我，重慶市氣象局最近幾年一直和網際網路公司合作，試圖用雲計算、人工智慧等網際網路技術提升整體氣象服務水準。2018年7月，他們跟百度智能雲簽了戰略合作框架協議，試著用人工智慧技術來做天氣預報。
他說，數值天氣預報這條路是外國人開闢的，如果按照這條老路走，超車的難度很大。
「目前來看，熱力學、動力學的進一步研究都要等待數學和物理學的突破才行，可是人類已經將近一百年來在基礎數學物理方面上都沒有更大的突破了。」
窮追猛趕的同時，重慶市氣象局想另開闢一條獨立於經典數值天氣預報的新跑道，而另一邊，百度智能雲的工程師們也想找地方發揮自家的人工智慧技術，雙方一拍即合。
AI 天氣預報的原理和數值天氣預報完全不一樣，它不需要用數學公式去演算，直接把以往的氣象數據放進 AI 模型里訓練，模型就會自動「記住」各種氣象數據和未來一段時間內天氣情況的對應關係，從而實現對未來的預判。
就像是人類訓練阿爾法狗下圍棋時，並不需要告訴它具體的圍棋知識，只是儘可能多的把棋譜「喂給它吃」，最終就能碾壓人類頂尖棋手，亂拳打死老濕敷。
「目前已經看到很好的前景」，顧局長說，他們拿人工智慧預測的結果和重慶市氣象局正式發布的結果相比，2小時內的「短臨預報」準確率提升了40%，對氣候的溫度預測準確率提高了16%。
百度智能雲的工程師告訴我，為了這個成績，他們部門派了30多個研發工程師駐紮在重慶，他們是百度的員工，卻在這一年多時間裡，每天在重慶市氣象局上下班。
「整個過程中最耗費心力的就是結合氣象知識來搭建算法模型，幸虧百度智能雲有一支專門服務於環境、氣象行業，有十幾年經驗的團隊作為後盾，這才進行得比較順利。」
為了交流方便，重慶市氣象局專門把15樓的「智慧氣象眾創空間」的幾十個工位提供給他們用。
我去參觀時他們正好都去吃午飯了
「食量大」是 AI 的優勢之一，為了達到最佳準確率，他們需要將以往10年來的氣象數據全部放進 AI 模型中訓練。
「氣象監測的數據量非常大，地面的、高空的，即便經驗豐富的預報員，知道該看哪幾個關鍵點，也根本看不過來，所以人工智慧正好能解決人在這方面的瓶頸。」
重慶市氣象台的周台長告訴我，氣象雷達每6分鐘就完成一次掃描，衛星掃描頻率稍微低一點，15分鐘左右，10年的數據之龐大可想而知。
同時，經典數值預報的數據也是AI的「食材」之一，所以 AI 預報的準確率最終才能超過經典數值預報。
氣象實況和AI預報對比
不會讓預報員失業，還能幫他們「超車」
說起AI，人們總願意拿 AI 和人類來比較，並且聯想到替代人類的話題，那麼天氣預報AI 以後會不會讓人類預報員徹底失業呢？
答案是不會。
因為 AI 天氣預報和經典數值預報的本質原理完全不同，後者是基於嚴謹的邏輯因果推理，一步一步地「解題」，而 AI 則是基於以往的數據統計，直接跳過步驟告訴你答案，雖然結果很準，但最好能和數值天氣預報的計算交叉驗證，以提高結果的可靠性。
聊起 AI 天氣預報時，顧局長很開心，他說中國的氣象工作發展迅速，但起步相對較晚，如果走前面經典的路，我們可能幹不過歐美國家，但人工智慧讓他看到了「彎道超車」的可能性。
其實從一開始我就好奇，為什麼氣象局選擇的合作方是百度，而非其他網際網路公司，顧局說一方面是技術本身的優勢，另一方面還在於自主智慧財產權。
百度的人工智慧平台「飛槳」（ Paddle Paddle ）是自主研發的，重慶市氣象局調研發現，其他絕大部分公司包括高校，在智能技術方面都不是自主智慧財產權，很多還是基於國外的 AI 研發平台比如谷歌的 TensorFlow。
這在顧局長這樣老一輩氣象工程師看來，格外重要。
「兩大核心技術都不在我們手裡，第一是超級計算機技術，第二就是數值預報的數學模型……現在包括我們用的伺服器、存儲，都還依賴國外的產品，很多觀測設備也還是歐洲的強，有一天他不給我們怎麼辦？
我們就是想發展自己的核心預報技術，將來有一天，可以不受制於人。所以我們要發展智能計算、智慧氣象，依靠大數據智能化打破傳統經典的方法，要有一種勇氣把它打破，徹底的改造！並且在業務技術、體制、流程崗位設置都需要有突破。」
當我得知顧局長是工程師出身，先後在上海市氣象局、重慶市氣象局和中國氣象局都任過職，時隔五年又回到重慶，就是想把重慶當地的氣象部門做到更好，不由地讚嘆他對重慶和氣象工作的情懷。
氣象預測是救人性命的事
也許在不少人的眼裡，天氣預報並不太重要，它只影響自己當天上班帶不帶傘，打不打車，但是在重慶市氣象局的工作人員眼裡，氣象預報是一件救人性命的事。
顧建峰局長告訴我，就在今年6月21日，涪陵區預警中心凌晨3點多發出暴雨黃色預警信號，暴雨襲來時，大部分人還在睡夢中。預警中心立刻向相關地質災害隱患點發出預警。
收到預警信息後，村級氣象員對地質災害點進行實地排查，發現確實有危險跡象，趕緊動員9戶25人進行轉移，一開始還有些村民不願意轉移，可就在大家剛轉移出來的路上，一處山體滑坡，把山腳下的房子給掩蓋了。
圖片來自當天的重慶晚報
我問顧局重慶一共有多少個地質災害隱患點，他說一共有一萬六千多個，除此之外，還有300多個防洪薄弱點。
「磁器口那個地方每年都會被洪水淹，銅梁有個安居古鎮也經常被淹」。另外，還有森林火災隱患點 4000 處。
好在重慶市氣象局的預警中心搭建了一套完整的四級預警體系（市、區、鄉、村），並且在災害發生之前，通過百度智能雲的簡訊平台以每秒3000條的速率將預警簡訊通知到第一負責人，否則後果不堪設想。
災害監測平台上密密麻麻的小點
除了救人性命，氣象工作也對當地的經濟也影響重大。
顧局舉了個例子，重慶當地種植的某些農作物，他們最怕的就是冰雹，一場大冰雹下來，成百上千畝農作物都要遭殃，那麼原本指望靠著收成來脫貧的農戶只能眼睜睜看著自己重新「返貧」，但只要氣象部門一出動，往天上「打幾炮」，便能救下農民們的生計。
不知道為什麼忽然想起這個
顧局感慨，「當地政府要扶持一戶貧困戶，要花多少人力物力財力精力？而我們氣象工作，用非常小的成本就能有很高的收益。」
除此之外，一座城市的建設，機場、高鐵、公路……絕大多數基礎設施都離不開氣象部門的服務。
說著，顧局長不忘宣傳一下重慶的旅遊，他拿起一本冊子，向在場的人介紹重慶正在建設的「三峽國家氣象公園」以及四個被評為「天然氧吧」的地區，還推薦大家都嘗一嘗「中國氣候特優好產品」——巫山脆李，他說由於氣候的關係，特別好吃。
說到這些時，顧局長不無驕傲，因為這些成績的背後，都離不開智慧氣象。
來自顧局的驕傲
從氣象局回來的路上，我打開了手機里的一個天氣預報APP看了看，感到渾身舒暢，儘管預報還是那個預報，我卻知道了背後原來還有這麼多的歷史、技術、故事。
我想起一件發生在自己身上的小事。前陣子我得知老家湖南發了洪水，趕緊問家裡有沒有受影響，我媽立馬在家族群里說沒有。
但當我偷摸去當地的論壇找圖片時，發現市裡有些地區已經上演「縴夫的愛」，消防官兵、武警，甚至部隊都出動了，全力營救受災居民。
估計我媽是怕北漂的兒子擔心，才趕緊說沒有。
從重慶市氣象局出來後，我有些小激動，希望老家湖南，以及全國的氣象部門都趕緊發展新技術，更好地幫助老百姓知曉天氣，防範災情。
另外還有一件事讓我挺開心：
以後再遇到困難，感到失意時，就打開天氣預報看一看，想想原來這顆星球上最先進的技術：衛星、雷達、超級計算機、人工智慧技術，每天都圍著自己打轉，為我提供服務，還有什麼困難是解決不了的呢？
再介紹一下我自己吧，我是謝么，科技科普作者一枚，日常是把各路技術講得通俗有趣。想跟我做朋友，可以加我的個人微信：xieyaopro。不想走丟的話，請關注【淺黑科技】！
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