“清明時節(jié)雨紛紛”，杜牧這句詩流傳千年，每到清明節(jié)前后，朋友圈里就開始刷屏：“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)，清明時節(jié)有時也會晴空萬里，讓人忍不住疑惑：這句詩到底是科學(xué)規(guī)律還是文學(xué)想象？

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

經(jīng)典氣象預(yù)測為啥難算準(zhǔn)？

為什么千百年過去了，我們還是無法確切預(yù)知清明會不會下雨？每一次天氣預(yù)報，都像是一道算法的“巨型數(shù)學(xué)題”?？茖W(xué)家把大氣運動抽象成一系列方程式，把溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、地形等無數(shù)變量輸入超級計算機，讓它不斷迭代求解。這套方法叫“數(shù)值天氣預(yù)報”。

但問題在于：大氣運動是一個極其復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，對其進行氣候建模存在許多不確定性因素(比如人為活動)。清明前后，正是冬夏交替的“拉鋸戰(zhàn)”時期——冷空氣還沒走遠(yuǎn)，暖濕氣流已經(jīng)開始北上，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。

觀測網(wǎng)絡(luò)無法做到“無縫覆蓋”，海洋、高原等地區(qū)數(shù)據(jù)稀疏；模型也無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)值模型越來越“吃緊”，這顯示出一個嚴(yán)峻問題——經(jīng)典計算機在某些細(xì)分領(lǐng)域的算力，已經(jīng)跑不動了。

量子計算為什么能算“天”？

當(dāng)經(jīng)典算力逼近極限，量子計算登場了。

經(jīng)典計算機用“0”和“1”串行計算，而量子計算機利用量子疊加和量子糾纏特性，可以實現(xiàn)指數(shù)級的并行計算能力。打個比方：經(jīng)典計算是順著樓梯一層層往上爬，量子計算就像坐電梯——理論上能同時探索無數(shù)條路徑。

在天氣預(yù)報場景中，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)測準(zhǔn)確度。中電信量子集團聯(lián)合安徽省氣象局，率先在降雨數(shù)據(jù)預(yù)測與臨近預(yù)報領(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)測降雨量解決方案，初步驗證了量子計算在氣象預(yù)測中的應(yīng)用潛力。

這套方案的核心，是對經(jīng)典深度學(xué)習(xí)模型進行量子化改造——構(gòu)建混合量子經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，充分利用量子計算的并行處理能力，實現(xiàn)對海量氣象數(shù)據(jù)的快速分析和高效處理。在時間序列預(yù)測和模式識別等關(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，增強災(zāi)害性天氣的監(jiān)測與預(yù)警能力。

“天衍”量子計算云平臺氣象預(yù)測實驗

在具體模型上，“天衍”量子計算云平臺對經(jīng)典的短時臨近降水預(yù)測模型SmaAt-UNet進行了量子化改造：通過數(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)。實驗結(jié)果顯示，在回歸指標(biāo)、召回指標(biāo)等預(yù)測精度指標(biāo)上，量子化模型都體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

未來，當(dāng)你手機里的天氣預(yù)報越來越準(zhǔn)時，當(dāng)“清明時節(jié)雨紛紛”不再是個概率題，背后可能就有“天衍”量子計算云平臺的算力支撐。天氣預(yù)報很難做到100%準(zhǔn)確，因為大氣是一個開放的復(fù)雜系統(tǒng)，微小變化都可能引發(fā)巨大差異，但量子計算正在讓“雨紛紛”變得越來越具體，讓“暴雨預(yù)警”越來越精準(zhǔn)。(王莉 文/圖)