第十三讲
科学第三极：美美与共的科学计算
你好，这里是吴飞的数字专栏《走进人工智能》。上一讲中我们介绍了认识人脑、类脑计算和混合增强智能。在专栏的第十三讲，我为你准备的内容是“科学第三极：美美与共的科学计算”。 科学研究的两大基本范式分别是以数据观测为核心的实验科学和以发现物理世界基本原理为核心的理论科学，人工智能与科学研究相互结合可以对刻画物理世界的复杂方程进行求解，比如预测化学反应中分子之间的微观运动和揭示大气湍流变化规律，这被称为科学计算。科学计算是科学的第三极，它以计算方式合理应用科学定律来系统化地解决现实中的复杂问题。这一讲中我将介绍科学计算在气象预报中的最初应用、人工智能助力科学发现以及科学计算所面对的挑战三部分内容。
从天气预报工厂畅想到全球气候变暖诺奖折冠
早在计算机诞生之前，从海量数据出发，对物理世界中复杂自然现象的演变过程进行预测的思想已经萌芽。20世纪初期，挪威气象学家皮叶克尼斯（Vilhelm F. K. Bjerknes）指出“物理学定律可用于预报天气”，他用七个变量构成的动力方程组来刻画大气运动，进行天气预报。这样可以根据某一时刻实测的气象资料，通过求解方程组来计算出将来的大气运动状态。
1920年左右，英国数学家理查德森（Lewis Fry Richardson）根据这一思想，手工计算了6周时间，预测了6小时内大气层天气变化状态。1922年，理查德森出版了一本《通过数值过程预测天气》的著作，提出“天气预报工厂(weather forecasting factory)”的概念。在书中，理查德森生动地描述了这一奇思妙想：在一个球形大厅中，64000个计算员在各自的座位上，对着球形墙壁挂起的世界地图，分别去计算自己座位所对应地图位置的天气状态。每个计算员只负责一个方程或者方程的一部分，同时有一名管理员协调计算结果。位于大厅中心的总指挥和几名助理保证各地区的计算员计算同步。未来天气预测数据被编码然后发送到各个无线电收发站，再分别向全世界各地进行广播。感叹的是，那个时候计算机还没有被发明出来。理查德森在“天气预报工厂”中已经预测了现代计算集群中分时和同步等机制，这体现了以 “设计和构造”为核心的计算思维特点。
1950年4月，现代动力气象学之父查尼（Jule Charney）与世界第一台电子计算机ENIAC研制者冯•诺伊曼（John von Neumann）合作，用了24小时对若干参数构成的非线性方程组求解，完成了世界上第一个对24小时后的天气进行预测的创举，留下了“计算机可以预测稳定域和控制不稳定域”的名言。
时光在科学家们对气象变化这一复杂系统进行预测的轨道上继续前行。2021年9月，DeepMind与英国气象局合作，在《自然》杂志上发表了通过人工智能算法进行天气预报的研究成果，这一算法可准确预测1536公里×1280公里区域内在几分钟或2小时内下雨的概率。
2021 年诺贝尔物理学奖授予真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），以表彰他们对地球气候进行物理建模、用计算手段量化分析气候可变性、从而可靠地预测全球变暖的这一贡献，颁奖委员会认为，“本年度的获奖研究成果表明，人类关于气候变化的知识，是基于对观测现象的严格分析，建立在坚实的科学基础之上的”。这是诺贝尔奖首次给研究大气或者气候变化这一复杂系统领域的研究者颁奖。
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