“清明時(shí)節(jié)雨紛紛”是必然？看量子計(jì)算如何給天氣“把脈”

本文轉(zhuǎn)自：人民網(wǎng)-安徽頻道

“清明時(shí)節(jié)雨紛紛”，杜牧這句詩(shī)流傳千年，每到清明節(jié)前后，朋友圈里就開(kāi)始刷屏：“果然要下雨了”、“又到了‘雨紛紛’的季節(jié)”。但很多人也發(fā)現(xiàn)，清明時(shí)節(jié)有時(shí)也會(huì)晴空萬(wàn)里，讓人忍不住疑惑：這句詩(shī)到底是科學(xué)規(guī)律還是文學(xué)想象？

從氣象數(shù)據(jù)來(lái)看，清明降雨是大概率事件，而非絕對(duì)鐵律。中國(guó)氣象局官方數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)南方清明當(dāng)天降雨概率約60%-70%，北方概率更低。換句話說(shuō)，每三個(gè)清明節(jié)，就有一個(gè)可能是無(wú)雨。杜牧筆下的“雨紛紛”，是他當(dāng)年的真實(shí)景致，卻不是千年不變的氣象定律。

經(jīng)典氣象預(yù)測(cè)為啥難算準(zhǔn)？

為什么千百年過(guò)去了，我們還是無(wú)法確切預(yù)知清明會(huì)不會(huì)下雨？每一次天氣預(yù)報(bào)，都像是一道算法的“巨型數(shù)學(xué)題”。科學(xué)家把大氣運(yùn)動(dòng)抽象成一系列方程式，把溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、地形等無(wú)數(shù)變量輸入超級(jí)計(jì)算機(jī)，讓它不斷迭代求解。這套方法叫“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”。

但問(wèn)題在于：大氣運(yùn)動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行氣候建模存在許多不確定性因素（比如人為活動(dòng)）。清明前后，正是冬夏交替的“拉鋸戰(zhàn)”時(shí)期——冷空氣還沒(méi)走遠(yuǎn)，暖濕氣流已經(jīng)開(kāi)始北上，兩股力量在江南、華南一帶反復(fù)拉鋸。這種“拉鋸”極其敏感，微小的初始條件變化，就可能讓雨帶偏移幾百公里。

觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法做到“無(wú)縫覆蓋”，海洋、高原等地區(qū)數(shù)據(jù)稀疏；模型也無(wú)法完全模擬云微物理、地形影響等細(xì)節(jié)。更要命的是，隨著極端天氣頻發(fā)，原有的數(shù)值模型越來(lái)越“吃緊”，這顯示出一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題——經(jīng)典計(jì)算機(jī)在某些細(xì)分領(lǐng)域的算力，已經(jīng)跑不動(dòng)了。

量子計(jì)算為什么能算“天”？

當(dāng)經(jīng)典算力逼近極限，量子計(jì)算登場(chǎng)了。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)用“0”和“1”串行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)利用量子疊加和量子糾纏特性，可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的并行計(jì)算能力。打個(gè)比方：經(jīng)典計(jì)算是順著樓梯一層層往上爬，量子計(jì)算就像坐電梯——理論上能同時(shí)探索無(wú)數(shù)條路徑。

在天氣預(yù)報(bào)場(chǎng)景中，這意味著什么？意味著可以把傳統(tǒng)算法中的某些模塊“量子化”，用量子算法替換，從而提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。中電信量子集團(tuán)聯(lián)合安徽省氣象局，率先在降雨數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與臨近預(yù)報(bào)領(lǐng)域發(fā)力，并發(fā)布了混合量子經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)降雨量解決方案，初步驗(yàn)證了量子計(jì)算在氣象預(yù)測(cè)中的應(yīng)用潛力。

這套方案的核心，是對(duì)經(jīng)典深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行量子化改造——構(gòu)建混合量子經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，充分利用量子計(jì)算的并行處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量氣象數(shù)據(jù)的快速分析和高效處理。在時(shí)間序列預(yù)測(cè)和模式識(shí)別等關(guān)鍵任務(wù)中，它能夠更敏銳地捕捉氣象數(shù)據(jù)中的細(xì)微變化和潛在規(guī)律，增強(qiáng)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)警能力。

“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)氣象預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)

在具體模型上，“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)對(duì)經(jīng)典的短時(shí)臨近降水預(yù)測(cè)模型SmaAt-UNet進(jìn)行了量子化改造：通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理將信息轉(zhuǎn)化為適合量子線路編碼的形式，用量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替換模型中的經(jīng)典卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在回歸指標(biāo)、召回指標(biāo)等預(yù)測(cè)精度指標(biāo)上，量子化模型都體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

未來(lái)，當(dāng)你手機(jī)里的天氣預(yù)報(bào)越來(lái)越準(zhǔn)時(shí)，當(dāng)“清明時(shí)節(jié)雨紛紛”不再是個(gè)概率題，背后可能就有“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)的算力支撐。天氣預(yù)報(bào)很難做到100%準(zhǔn)確，因?yàn)榇髿馐且粋€(gè)開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)，微小變化都可能引發(fā)巨大差異，但量子計(jì)算正在讓“雨紛紛”變得越來(lái)越具體，讓“暴雨預(yù)警”越來(lái)越精準(zhǔn)。（王莉 文/圖）