WindBorne借助海空雙域傳感器?為其氣象預報人工智能系統提供支撐

如今的氣象預報依靠海量數據流支撐。但地球上大片區域幾乎沒有可用觀測數據，包括廣闊公海、極地以及世界各地的偏遠地帶。總部位于加利福尼亞州雷德伍德肖爾斯的WindBorne Systems公司，希望依靠長續航氣象氣球解決這一難題。該公司首席執行官John Dean去年曾在IEEE Spectrum發文，介紹WindBorne正在訓練的人工智能模型（名為WeatherMesh），模型的訓練數據來源于該公司全球范圍內約600只持續升空工作的氣球所采集的實時觀測信息（https://spectrum.ieee.org/ai-weather-forecasting）。

WindBorne Systems’ CEO, John Dean, says the company traces its origins to a Stanford University project that pushed the limits of weather-balloon design to maximize time aloft. WindBorne Systems

該公司的氣球集群每天可產生數千小時的全新氣象觀測數據，其中就包含那些原本難以獲取樣本的全球區域的數據。其中一只名為Elder的氣球，不久前創下該公司紀錄，在空中持續飛行了345天（https://wpo.noaa.gov/windborne-weather-balloon-reaches-new-heights/）。還有部分氣球展現出另一項特殊能力：墜入海洋后，變身漂浮氣象浮標繼續執行任務。WindBorne向IEEE Spectrum獨家展示了這項全新的“從天入海”技術能力，內容包含詳細飛行軌跡追蹤數據以及回收實拍照片。

展望未來，WindBorne的短期規劃目標宏大。Dean向IEEE Spectrum表示，該公司預計“一年之后，我們將擁有數千個浮標漂浮于大洋之上，持續上報觀測數據。”

IEEE Spectrum對Dean進行了專訪，探討WindBorne的氣球何以很快實現上天入海的雙重工作模式、創下紀錄的Elder氣球能夠完成超長續航飛行背后的原因，以及從零開始解析大氣狀態的精妙技術。

WindBorne Systems首席執行官John Dean：目前我們已經有若干氣球，升空時作為氣象氣球工作，墜落海面后化身浮標繼續作業。硬件方面最核心的改動，就是設備可以做到完全防水，并且漂浮在海面時依然能夠與衛星通信。我們對這一構想已經研究許久，目前已有大約六臺具備該能力的原型設備。

Dean：是的。我們的氣球會墜落到全球各地。目前已有超過一百次飛行任務，氣球著陸陸地后可充當地面觀測站。簡單來說，如果氣球落地，且地面環境沒有潮濕水汽，落地之后它還可以持續通信數周之久。但浮標模式下的每一次任務都是刻意設計的，因為這需要設備做防水處理。不過再過幾個月，我們發射的每一只氣球都將擁有這項能力。

Dean：沒錯。我們已經在大西洋和太平洋上空讓多只氣球飛入熱帶氣旋開展作業。氣球飛抵風暴上空之后，我們要么投放所謂的“下投式探空儀” —— 從氣球釋放小型傳感器投入風暴內部，獲取一組探空數據；要么就直接犧牲這只氣球。

畢竟氣球無法在颶風內部長時間飛行。氣球可以從風暴上空飛過，但在風暴系統內部僅能完成一到兩次大氣探空。因此面對熱帶氣旋這類極端天氣，借助我們的氣球就可以獲取更多觀測數據，無需派遣載人科考任務。我們可以大幅降低單條數據的采集成本。

目前我們已經驗證了整套能力：既可以對整個對流層完成數據采集，還能夠墜落至海面，繼續采集海洋表層的數據。

WindBorne CTO Andrey Sushko holds up an ocean buoy that was once the payload of a WindBorne weather balloon. WindBorne Systems

Dean：我們會采集浪高、海浪相關信息、海洋氣壓以及海水溫度。海洋與大氣之間的耦合關聯十分緊密，因此如果要預測一周之后的天氣，海面觀測數據實際上是極具價值的一類數據源。

Dean：這次任務是我們對排氣閥結構完成設計改動之后實現的。此前設備一直存在微小漏氣問題，任務續航最多只能維持數月。大約一年前，我們重新設計閥門，解決了極低溫環境下的漏氣問題。Elder是第一臺采用這項改進的氣球，正是這項改動，才實現了這次接近一年的超長飛行。

WindBorne Systems’ weather balloons are designed to maximize time aloft, in one case logging a record-setting 345-day flight. WindBorne Systems

Dean：實際上，我們絕大多數飛行任務使用的是氫氣。氫氣成本更低，而且目前氦氣供應短缺。另外，我們在佛得角設有發射場，這是非洲西海岸外的群島，當地很難采購到氦氣，氫氣的獲取則要容易得多。

Dean：壓艙物耗盡，絕大多數氣球都是因為這個原因結束任務。

每只氣球攜帶的氣體總量、壓艙物總量都是固定的。投放壓艙物可以實現上升，排放氣體則實現下降。一旦壓艙物耗盡，氣球就失去再次升高的能力，最終便會從空中墜落。所以這次飛行屬于正常終止，誘因就是壓艙物耗盡。而這次飛行的特殊之處在于，它的壓艙物消耗速率極低，因此得以連續飛行11個月。

Dean：所有氣球都會與銥星衛星通信，數據經由衛星傳回地面。地面端完成數據質控之后，我們一方面將數據對外出售給客戶，另一方面把數據輸入自家人工智能氣象模型。模型會融合我們氣球的數據、其他氣象氣球、海洋浮標、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）運營的地面觀測站以及衛星數據，也就是全部公開氣象數據，再疊加我們氣球采集的數據。

在偏遠地區，我們的氣球是溫度、氣壓、濕度、風速與風向的唯一真實實測數據源。因此很多風暴事件中，我們手上幾乎只有自家氣球提供的真實觀測數據。WeatherMesh接收全部上述數據，獲取當下的氣象實況，以此輸出未來一周質量更高的氣象預報。

Dean：以我們當前氣球集群的規模來看，將氣球觀測數據同化進模型后，預報精度大約提升10%20%。以美國地區35天的氣溫預報為例，預報準確度約有10%的改善。

此外，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）發現，在颶風預報方面，我們的氣球觀測同樣能把颶風實際路徑的預報精度提升約10%20%。10%20%這個數字看上去不算很高，但對于氣象預報的優化而言，已經意義重大。而且我們目前的氣球集群規模，只有未來規劃規模的百分之一。當氣球遍布全球，在這些偏遠區域持續采集數據，就能夠切實推動預報精度進一步提升。

WindBorne Systems’ weather balloons operate on hydrogen gas, rather than helium, both for cost savings and the potential to scale up company operations. WindBorne Systems

Dean：我們從零開始訓練AI氣象模型，也就是地球基礎大模型，從設計到訓練全部由我們自主完成。因為氣象建模領域的AI技術，仍存在很大的優化空間。另外，你可能聽過的大多數AI氣象模型，例如DeepMind的GraphCast，實際上并不具備數據同化能力。數據同化指的是收集過去數天內所有可獲取的觀測數據，據此推算出當前氣象狀況的最優估計，再基于該狀態推演未來天氣。

絕大多數模型并不會通過數據同化來還原真實氣象現狀，但WeatherMesh是完整的端到端架構：接收觀測數據，直接輸出預報結果。這一點十分關鍵，因為基于人工智能的數據同化，相比傳統數據同化方式，精度可以高出不少。

Dean：傳統氣象氣球只能飛行兩小時，而我們的氣球可以連續飛行兩周以上。同時硬件落地之后不再直接變成廢棄物，只需稍加改造實現防水，這套設備就可以繼續發揮價值。這也是我創辦這家公司的初衷：改造傳統氣象氣球，不再只工作短短兩小時，而是延長硬件使用壽命。無論設備處于空中、海面還是陸地，都能以更低成本、更少資源損耗，采集更多氣象觀測數據。

Dean：所有聯合創始人都在斯坦福大學求學時相識，我們當時隸屬于一個名為斯坦福學生太空計劃的社團。實際上，大約十年前還在讀大學時，大部分創始人都曾在SpaceX擔任實習生，我們都對太空抱有濃厚興趣。

但如果你熱愛太空，想動手做工程實踐，火箭領域很難開展有意思的項目。但凡火箭涉及實用功能，就會受到管控。一旦火箭具備可控能力，就會被歸類為制導導彈。而衛星造價高昂，研發周期漫長。但氣球幾乎可以抵達近太空，學生的預算就能夠負擔。

我們的首席技術官Andrey [Sushko]，正是后來演變為WindBorne的這個項目的發起人。該項目的核心目標就是實現氣球的長續航飛行。我們大學整整四年都在鉆研這件事，純粹出于興趣，沒有依托任何公司，完全是一腔熱忱。等到我們一批人臨近畢業時才意識到：嗯，這套平臺其實具備很高的實用價值。

Dean：六個月后，氣球數量將突破1000只；一年之后，大概會達到2000只左右；18個月時將達到4000只。我們的目標是每六個月規模翻一番。

對，迭代節奏比摩爾定律還要快。