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超級電腦「京」將使天氣預報的精度實現飛躍,能提前通知突發暴雨等局部天氣突變的系統也有望實現。為了在2020年的東京奧運會上投入使用,日本正在開展相關驗證實驗。這項新技術能否令世界為之驚嘆?

「突發暴雨預警,10分鐘後本地附近有暴雨,請抓緊時間避雨。」智慧手機突然收到了這樣一條通知,抬頭一看,晴空萬里。帶著滿腹狐疑剛剛走進旁邊的建築物,天上便出現了滾滾翻涌的積雨雲,傾盆大雨從天而降,剛好躲了過去。在不久的將來,這樣的系統即將成為現實!

午後雷陣雨也能發預警!日本超級電腦,暴雨前10分鐘通知你

過去的天氣預報一直是利用氣象衛星和地面雷達等設備來監測雨雲的位置,在地圖上標出雨雲行進的方向。詳細預報主要是以市鎮為單位,1小時預告1次天氣變化。但對於近年越來越多發的突發暴雨,積雨雲出現的速度很快,在局部降下大雨後,雲團幾十分鐘就會消散,使用過去的預測技術無法完全掌握雲層動向。

2014年8月,廣島市在突發暴雨中發生山體滑坡災害,造成了70多人死亡。河水驟增引發洪水,奪走地下施工人員生命的事故每年都會發生。在這種情況下,超級電腦模擬被寄予厚望。這種方法可以通過大量收集雨雲的位置數據,根據數學模型推斷出尚未形成的巨大雨雲幾分鐘後的產生位置等詳細資訊。非常適合用來預測分秒必爭的突發暴雨。

2013年度,該方法入選日本科學技術振興機構(JST)的戰略性創造研究推進事業。負責實施項目的理化學研究所的三好建正組長堅定地表示:「我們要構建出能提前提供資訊的體制,讓人們有時間去避難。」

捕捉雨雲使用名為「相控陣天氣雷達」的最新式雷達,半球形外罩的裡面隱藏著板狀天線,通過360度轉動追蹤雨滴的運動。該雷達由日本資訊通信研究機構與大阪大學等合作開發,2012年在大阪府設置了日本的第一台。現在數量也非常稀少,日本國內僅在兵庫縣、沖繩縣等4個地方設置了該雷達。

這種雷達的觀測速度非常快,觀察半徑60km、高度14km的範圍只需要30秒。僅為傳統雷達觀測時間的約10分之1,能夠收集詳細數據也是一個強項。該雷達能夠將邊長為100m的立體空間做為1個區域,將各個區域的降雨分佈匯總成數據,與日本氣象廳觀測的250m見方區域的數據相比,掌握的資訊更加精確。

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根據實際測試數據驗證計算結果

收集到的數據會發送到理研運營的超級電腦「京」。利用處理速度為世界頂尖水準的京,模擬雲團的類型、產生的位置和高度。還會根據模擬的結果,預測1小時的降雨量。

但根據雲團的產生推測降雨等自然現象的過程很難完全轉化成公式。「沒有什麼比自然運動更複雜的了」,這令三好組長犯了愁。剛開始的時候,失敗接二連三出現,甚至預測出了不切實際的雨雲發生高度。

為此,研究組採用了「數據同化」的方法,每隔一段時間,將京計算出的預測值與實際觀測值進行比較,通過修正計算方法來減少誤差,這項舉措逐漸顯現出了效果,如上圖所示,研究組成功對30分鐘後的降水分佈進行了高精度模擬。實現100m區塊的精確天氣預報也越來越有現實味道。

但課題依然存在,比如,1次模擬需要分析數百GB的數據,而雷達下次發送最新數據是在30秒後,如果不在這段時間內完成處理,未處理的數據越積越多,系統就會崩潰。現在雖然是使用京進行處理,需要的時間依然過長。僅從項目開始時的3,000秒(50分鐘),縮短到了現在的700秒(接近12分鐘)。處理時間必須縮短到現在的1/20以下。

包括精簡觀測數據、提高數據讀寫效率在內,改善的餘地還有很多。雖然距離30秒的目標有些遙遠,但三好組長自信地表示:「已經看到了實現的可能性。」他們的目標是在2020年得到東京奧運會和殘奧會的採用,通過預測突發暴雨,判斷比賽能否安全舉行。

對於天氣預報,除了短時間的天氣變化,包括大型颱風路徑的預測在內,分析幾天之後的情況也非常重要,如果能提前向可能發生滑坡災害、河流洪水的地區發出預警,還可以幫動作慢的老年人爭取避難時間。

從太空進行高精度觀測

在日本的氣象預報中,氣象衛星「向日葵8號」發揮著重要作用。這顆衛星於2014年發射升空,在距地面3.6萬km的高度定點觀測日本週邊地區。向日葵8號在全球第一個配備了美國航太總署(NASA)開發的觀測感測器,可以觀測的最小範圍為500m見方,比向日葵7號的1km更加細緻。

而且處理速度很快,觀測間隔可以從過去的30分鐘縮短到最短2.5分鐘。能夠捕捉到颱風風眼的漩渦等。數據傳輸量高達過去的50倍,圖像也從黑白變成了彩色。負責開發的三菱電機向日葵項目部長西山宏自豪地表示:「(向日葵8號)可以更精密地預測颱風的行進方向」。

除此之外,觀測整個地球的天氣情況,對未來進行模擬的嘗試也已經展開。如果實現,大到大規模自然災害,小到天氣變化,都將可以進行預測。

日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)與NASA參與的國際項目——全球降水測量計劃(GPM)是使用約10顆人造衛星,以1小時為間隔測量全世界的降水情況。

計劃的核心是JAXA於2014年發射的「GPM主衛星」。這顆衛星在400km的高度繞地球飛行,高度與國際空間站大致相同。這顆衛星搭載的雙頻降水雷達是JAXA等日本研究機構開發的,可照射2種頻率的電波。能夠對降雨高度等實施立體觀測,還能捕捉到之前很難掌握的小雨。

收集到的降水資訊將向全世界免費提供。除日本氣象廳已于2016年3月開始利用數據外,巴基斯坦、菲律賓等國也在準備利用這些數據預報洪水。JAXA的專案經理古川欣司說:「在地面雷達尚未普及的發展中國家等,估計今後的需求還會不斷增加。」

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JAXA還與預測突發暴雨的理研研究組合作,啟動了利用GPM項目數據模擬全球雲團運動的研究。用不了多久,電腦能夠利用大數據正確預測世界各地降雨情況的時代或許就將來到我們的面前。