超強颱風巴威來勢洶洶 AI與傳統電腦模式的比拼
作者：Alex Hui, Wai-Pang Sze
超強颱風巴威正沿著西太平洋副熱帶高壓西南部，採取偏西北的路徑，趨向台灣島東北部沿海，隨後於福建至浙江一帶登陸，為我國東部帶來嚴重的風雨威脅。另一方面，颱風的外圍下沉氣流亦將於接近週末時，為華南沿岸帶來極端高温天氣。
(圖一：聯科大氣模擬平台 CPAS 预报产品：大气层顶向外长波辐射通量 [1] )
從聯科自家的聯科大氣模擬平台－CPAS模式的預測可見，颱風巴威的環流結構相當廣闊，雖然巴威的風眼結構會在靠近陸地時有所削弱，但其登陸前仍會維持相當的強度。
近年來，人工智能 AI 天氣預報模式冒起，在熱帶氣旋路徑及強度的預測上，已展現出與傳統物理預報模式並駕齊驅的實力 [2]，這不禁令人好奇：這兩大陣營的運作原理，究竟有何不同？
如果把天氣預報比喻成一場大型聯考，那麼初始值的大氣觀測資料就是「題目」，最終的預測結果則是「答案」。面對同一份考卷，氣象界有兩種截然不同的學生：傳統物理預報模式就像是一位「物理學霸」，嚴格遵循公式步步推算。他手拿流體力學、熱力學公式，一筆一畫在黑板上按原理推導求解。這樣做法運算成本較高且耗時較長，且高度依賴準確的近似或簡化公式作為工具。但他的優勢在於物理因果關係清清楚楚，犯錯時容易回溯原因。而且他也不怕沒看過的考題，即使遇到歷史罕見的極端天氣，只要物理定律沒變，理論上他就能一步步推算出合理的結果。
現時的AI模式則可比喻成另一種「猜題高手」。他不用理解物理公式，只需要把過去幾十年所有的歷史考卷中的題目與答案都死記硬背下來，再透過深度學習掌握當中的演變規律。他的優勢在於耗費的運算資源低，能很快便「交卷」。然而，它極度依賴自己的歷史題庫。隨著氣候變化加劇，大自然正在改變考試範圍，前所未有的極端「黑天鵝事件」正變得更加頻繁。儘管各大 AI 模式已在這方面下足苦功，但面對超出歷史經驗的極端天氣時，其預測能力仍存有不確定性。
讓我們一起看看這次颱風巴威的實戰演練：在整體路徑趨勢上，傳統和 AI 模式大致一致，皆預測巴威會採取「先向西、後轉西北」的路徑趨向中國東部沿海。不過，仔細一看的話，截至 7 月 6 日前的預報顯示，雙方對巴威路徑往北偏的分量出現了微妙的分歧：傳統物理模式的預測路徑較南，認為巴威會相當接近、甚至直接橫過台灣島北部，隨後在福建北部至浙江南部一帶登陸；而AI模式的預測路徑較偏北，認為巴威會離台灣島較遠，並直接趨向浙江北部以至上海一帶。而隨著風暴繼續發展，兩者的預測路徑已互相靠攏，分歧正逐漸縮小。
(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)
造成這場分歧的核心原因，相信是雙方對副熱帶高氣壓（副高）的強度預測有所不同。以歐洲中期天氣預報中心 (ECMWF) 在7月6日北京時間早上8時的 500 hPa 層面預測圖為例：ECMWF的傳統物理模式 (IFS) 預報96小時後的 5880米位勢高度線[3] 較偏西，反映其預測的副高位罝較西，因此氣流會引導颱風採取較偏西的路徑，逼近台灣島。而其自家的AI模式 (AIFS) 所報出的5880米位勢高度線則較東，反映其預測的副高位罝較偏東，颱風因而採取較偏北的路徑。雖然 ECMWF 的 AI 模式可以透過高層氣壓場嘗試找出分歧原因，但另一個主流 AI 模式 － Google FNV3 的集合預報則僅公布了預測路徑，並未公開背景的大氣場資料。這導致它就像一個「黑盒子」般，外界只知道它給出了答案，卻無從得知背後的物理推導邏輯。這正是目前部分 AI 模式在氣象應用上面臨的另一大盲點。
(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 )
無論如何，在AI模式掘起的同時，傳統物理模式仍然有其不可替代的參考價值，兩者可謂相輔相成。隨著巴威靠近我國東部沿岸，受影響地區的民眾務必密切留意氣象動態，聽從防災部門指示，儘早做好防風與防淹水的準備。
[1] 大氣層頂向外長波輻射通量 (Outgoing Longwave Radiation, OLR；單位為 W/m²) 是對流活動的指標。對流越強，對應之雲頂高度通常越高，即雲頂溫度越低，大氣層頂層頂向外長波輻射量OLR就會越小，即圖中較亮白的部分。
[2] 香港天文台 人工智能模式於天氣預報的應用 https://www.hko.gov.hk/tc/education/weather/data-and-technology/00761-Applications-of-Artificial-Intelligence-Models-in-Weather-Forecasting.html
[3] 500hPa 層面位勢高度與高氣壓強度正相關，高度越高代表高氣壓越強。在氣象學上，通常以 5880米線作為副熱帶高壓的邊界綫。