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。
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“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)
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