氣象大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 大數(shù)據(jù)和氣象的“聯(lián)姻”

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》

時(shí)間：2017-02-13 13:36:28

作者：沈春蕾

我們每天都在看天氣預(yù)報(bào)，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)天氣預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確，但也有那么幾天不靠譜。近年來(lái)，隨著技術(shù)水平的提升，人們對(duì)氣象服務(wù)水平的需求越來(lái)越高，因此氣象的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)成為氣象部門(mén)追求的目標(biāo)。

“氣象的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)需要行業(yè)內(nèi)外的結(jié)合，而創(chuàng)新可能在行業(yè)之外，比如引入新思想和新方法。”中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員張文生告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，“比如，用大數(shù)據(jù)的觀點(diǎn)來(lái)重新審視氣象數(shù)據(jù)，就可以改變我們處理氣象數(shù)據(jù)的方式和方法，解決之前氣象預(yù)報(bào)沒(méi)有關(guān)注的問(wèn)題。”

相識(shí)機(jī)緣巧合

2013年，張文生的一名博士生進(jìn)入國(guó)家氣象衛(wèi)星中心工作，“這個(gè)學(xué)生的博士畢業(yè)論文主題是熱帶風(fēng)暴形成與臺(tái)風(fēng)眼路徑預(yù)測(cè)，據(jù)說(shuō)是世界難題。”通過(guò)幾次交流，張文生意識(shí)到計(jì)算機(jī)信息技術(shù)可以在輔助氣象預(yù)報(bào)方面發(fā)揮作用。然而，要撮合這兩者還要靠人牽線搭橋。

不久后，張文生應(yīng)邀前往國(guó)家氣象衛(wèi)星中心做講座，講座圍繞氣象數(shù)據(jù)是否是大數(shù)據(jù)展開(kāi)。因?yàn)閺埼纳嗄陱氖麓髷?shù)據(jù)相關(guān)工作，邀請(qǐng)方希望他能用大數(shù)據(jù)的觀點(diǎn)看看氣象數(shù)據(jù)是否具備大數(shù)據(jù)特點(diǎn)。

張文生記得：“那次交流座無(wú)虛席，原來(lái)搞氣象的人對(duì)我們搞機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和大數(shù)據(jù)的人很感興趣，并且希望我們能幫他們解決一些具體問(wèn)題。”

隨后，國(guó)家氣象局組織人員來(lái)到張文生的實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步討論交流，這次的焦點(diǎn)不再是氣象數(shù)據(jù)是不是大數(shù)據(jù)，而是圍繞如何利用氣象大數(shù)據(jù)進(jìn)行降水預(yù)報(bào)展開(kāi)。“他們希望我們通過(guò)采集到的氣象雷達(dá)大數(shù)據(jù)，找與降水量之間更為精準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。”2015年，張文生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了嘗試，效果很好。

于是，2015年6月25日，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所和中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心簽署協(xié)議，共建氣象大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，張文生任聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任。

實(shí)驗(yàn)室成立的總體目標(biāo)是希望建設(shè)研究氣象大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和開(kāi)發(fā)公共氣象服務(wù)平臺(tái)，推動(dòng)氣象突發(fā)公共事件預(yù)警及專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)等業(yè)務(wù)發(fā)展，培養(yǎng)具備氣象領(lǐng)域知識(shí)和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)方法的跨學(xué)科人才，助力公共氣象服務(wù)領(lǐng)域技術(shù)持續(xù)性創(chuàng)新。

創(chuàng)新在行業(yè)外

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，張文生派出一名副研究員和三名博士生常駐公共氣象服務(wù)中心，通過(guò)深入合作，他們的創(chuàng)新成果在公共氣象服務(wù)中心取得了較高的認(rèn)可度。

張文生團(tuán)隊(duì)針對(duì)氣象雷達(dá)獲取的多源、異構(gòu)、稀疏并帶有降水標(biāo)記的全空間大數(shù)據(jù)，提出了“結(jié)構(gòu)+統(tǒng)計(jì)”的大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)新模型與算法，精準(zhǔn)表達(dá)了雷達(dá)反射率因子和降水量之間的關(guān)系，解決了氣象雷達(dá)大數(shù)據(jù)在線、增量、半監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)難題，實(shí)現(xiàn)了氣象雷達(dá)大數(shù)據(jù)超短臨定量降水估計(jì)，取得了分鐘級(jí)降水估計(jì)的創(chuàng)新成果。

在雷達(dá)分鐘級(jí)定量降水估計(jì)算法的基礎(chǔ)上，張文生團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了大數(shù)據(jù)分布計(jì)算架構(gòu)，開(kāi)發(fā)出高分辨率分鐘級(jí)降水估計(jì)的業(yè)務(wù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品對(duì)比國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)取得顯著提高。

關(guān)于“結(jié)構(gòu)+統(tǒng)計(jì)”，張文生列舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：騎自行車(chē)時(shí)對(duì)面汽車(chē)開(kāi)過(guò)來(lái)，人腦里形成的結(jié)構(gòu)是首先不讓對(duì)面車(chē)撞來(lái)，而后是根據(jù)采集到危險(xiǎn)的信息作出決策。提煉氣象大數(shù)據(jù)的規(guī)律就是結(jié)合已有模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的統(tǒng)計(jì)，以作出迅速精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)。

聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室近期正在大力研究面向氣象大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)降水估測(cè)算法和模型，以提高基于雷達(dá)回波信息的定量降水估計(jì)準(zhǔn)確度，同時(shí)探索時(shí)空精細(xì)化氣象預(yù)測(cè)條件下的模型精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)時(shí)空精細(xì)化實(shí)時(shí)降水估測(cè)工程化產(chǎn)品。

“雷達(dá)掃的空間很多，一般是圓錐形的區(qū)域，這些空間的區(qū)域每隔一些點(diǎn)就有反射因子，參數(shù)在空中形成密密麻麻的點(diǎn)，隨著距離地面高度、溫度和壓力不同，采集到了冰晶－雪－雨－霧的信息，從變化中找到規(guī)律。”張文生補(bǔ)充道，“雖然建立這樣的模型，需要處理的數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)我們來(lái)說(shuō)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，不過(guò)我們還是成功做到了。”

應(yīng)用回行業(yè)內(nèi)

目前，張文生團(tuán)隊(duì)提出的“結(jié)構(gòu)+統(tǒng)計(jì)”大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型與算法，以及研發(fā)的高分辨率分鐘級(jí)降水估計(jì)產(chǎn)品，已經(jīng)在全國(guó)100多部氣象雷達(dá)上業(yè)務(wù)化試運(yùn)行/推廣，實(shí)現(xiàn)了1KM×1KM空間分辨率分鐘級(jí)降水估計(jì)。

2015年7月28日，張文生團(tuán)隊(duì)的研究成果在中國(guó)氣象局門(mén)戶(hù)網(wǎng)站——中國(guó)天氣網(wǎng)上試運(yùn)行，在氣象部門(mén)以及各行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛影響力。

不久前，微信應(yīng)用“中國(guó)天氣網(wǎng)雷達(dá)分鐘降水”也上線提供降雨預(yù)測(cè)服務(wù)。中國(guó)氣象局專(zhuān)業(yè)的雷達(dá)分鐘降水估計(jì)版本已在內(nèi)部上線，將季節(jié)、區(qū)域的影響加入，在大數(shù)據(jù)處理、模型與算法、結(jié)果可視化等方面都有進(jìn)一步的改進(jìn)空間，相關(guān)改進(jìn)成果正在內(nèi)部測(cè)試。

張文生指出：“我們不僅取得了國(guó)內(nèi)高分辨超短臨降水估計(jì)的方法突破，實(shí)現(xiàn)了1公里分辨率5分鐘精準(zhǔn)降水估計(jì)，還為中國(guó)氣象在國(guó)際公共氣象服務(wù)超短臨降水領(lǐng)域的討論和對(duì)話(huà)提供了科學(xué)依據(jù)。”(記者 沈春蕾)

責(zé)任編輯：陳近梅

總結(jié)

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