國家級數值預報業(yè)務(wù)體系將全部由自主研發(fā)技術(shù)替代
中國氣象局展示的氣象預報預測系統模型。 本報記者 郭靜原攝
在全球天氣監測網(wǎng)絡(luò )和龐大的超級計算機系統支持下，人們觀(guān)云識天的方式從單純依靠經(jīng)驗向應用物理、數學(xué)方法計算風(fēng)云變幻的數值天氣預報轉變。如今，我國自主研發(fā)的GRAPES全球數值預報系統大幅提高了天氣預報準確率和預報時(shí)效，預報產(chǎn)品數量增至70種，并出口到“一帶一路”沿線(xiàn)國家和地區，為當地提升災害性天氣預報能力、增強天氣預報準確性貢獻中國智慧
從第一張天氣圖問(wèn)世至今，已有100多年歷史。人們觀(guān)云識天的方式也從單純依靠經(jīng)驗向應用物理、數學(xué)方法計算風(fēng)云變幻的數值天氣預報轉變。在全球天氣監測網(wǎng)絡(luò )和龐大的超級計算機系統支持下，天氣預報準確率和預報時(shí)效不斷提高。
近日，記者從中國氣象局了解到，我國數值預報發(fā)展到2018年，國家級數值預報業(yè)務(wù)體系將全部被自主研發(fā)的技術(shù)所替代。從“零”到“一”，再從“一”到“全部”，核心技術(shù)的自主創(chuàng )新正在推動(dòng)中國數值預報系統邁向國際舞臺。
攻克核心技術(shù)
我國業(yè)務(wù)數值天氣預報走上自主研發(fā)之路，中國區域短期降水預報能力已接近歐洲中期天氣預報中心
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，預報天氣就像在解一道非常復雜的數學(xué)題。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們逐漸認識到大氣是一種流體，它的運動(dòng)軌跡遵循著(zhù)流體力學(xué)基本理論。利用計算機，氣象學(xué)家通過(guò)求解描寫(xiě)大氣運動(dòng)規律的偏微分方程組，算出天氣變化結果，數值天氣預報由此應運而生。
“到了夏天究竟是南方降水多還是北方多?日常氣象業(yè)務(wù)包括天氣預報、山洪地質(zhì)災害預報、空氣質(zhì)量預報、航空氣象預報等，都要運用數值預報技術(shù)進(jìn)行測量。”中國氣象局數值預報中心副主任、國家重點(diǎn)領(lǐng)域數值預報創(chuàng )新團隊負責人沈學(xué)順告訴經(jīng)濟日報記者，無(wú)論是天氣預報還是氣候預測都離不開(kāi)數值預報?？梢哉f(shuō)，數值預報是整個(gè)氣象業(yè)務(wù)的核心與基礎。
然而，在過(guò)去很長(cháng)一段時(shí)間，全國早間天氣會(huì )商中，預報員最常提及的還是“歐洲中期天氣預報中心模式”。“一直到1999年之前，我國數值預報技術(shù)走的都是引進(jìn)路線(xiàn)?？蓢獾暮诵募夹g(shù)始終對我們保密，引進(jìn)成本又高，在關(guān)鍵技術(shù)的消化和掌握上我們總是落后一程。”沈學(xué)順說(shuō)。
認清形勢，下定決心，要牢牢把握核心技術(shù)應用的主動(dòng)權。1999年，我國業(yè)務(wù)數值天氣預報走上自主研發(fā)之路，開(kāi)啟全球區域同化預報系統(GRAPES)研發(fā)。2016年，正式業(yè)務(wù)化運行并面向全國下發(fā)產(chǎn)品的GRAPES全球預報系統，被視為代表我國數值預報技術(shù)能力的跨時(shí)代之作。
“自主創(chuàng )新絕對不是照搬國外先進(jìn)的系統和產(chǎn)品，我們必須要有自己的數值預報，積極發(fā)揮系統在中國地區的應用成效。”中國氣象局數值預報中心主任王建捷表示，與國外模式相比，中國區域短期降水預報能力目前已接近歐洲中期天氣預報中心。
面向數值預報領(lǐng)域重大需求，中國氣象局在構建數值預報創(chuàng )新團隊基礎上，聯(lián)合國家級氣象業(yè)務(wù)單位、研究機構和高等院校等優(yōu)勢資源組建攻關(guān)團隊，越來(lái)越多的新生力量匯入自主創(chuàng )新大潮。“我們必須要有圍繞核心問(wèn)題的基礎研發(fā)積累和持之以恒的研發(fā)儲備，要有讓創(chuàng )新活力得到充分激發(fā)的體制機制，還要有踏踏實(shí)實(shí)做科研的人才隊伍。”王建捷說(shuō)。
就在去年6月份，“數值預報云”正式投入業(yè)務(wù)運行，標志著(zhù)我國數值預報應用全面進(jìn)入“云時(shí)代”。全國氣象部門(mén)通過(guò)數值預報云客戶(hù)端均可快速共享中國氣象局數值預報中心和華北、華東、華南三大區域氣象中心的高分辨率區域數值模式產(chǎn)品，提高了各地精細化預報能力。
展現強勁實(shí)力
依靠核心技術(shù)的快速發(fā)展，GRAPES全球數值預報系統平均可用時(shí)效超過(guò)7天，預報產(chǎn)品數量也不斷增加
數值預報“中國造”不僅僅是一個(gè)口號，而是一種實(shí)力的體現。
讓沈學(xué)順引以為傲的是，團隊為2016年G20杭州峰會(huì )提供的一系列精細、客觀(guān)、量化的10類(lèi)24種氣象服務(wù)產(chǎn)品，從中期、短期預報時(shí)效產(chǎn)品實(shí)時(shí)掌握天氣情況，到西湖精細預報產(chǎn)品點(diǎn)對點(diǎn)觀(guān)察湖面和近地面各高度層風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，再到10分鐘煙火擴散預報、短臨預報時(shí)效產(chǎn)品等，保障了大會(huì )期間重要節點(diǎn)和表演順利進(jìn)行。
與硬實(shí)力匹配的好成績(jì)還遠不只這些。2017年夏天，當臺風(fēng)“天鴿”在廣東珠海市南部沿海登陸時(shí)，回應它的是停飛的航線(xiàn)、回港避風(fēng)的漁船和空無(wú)一人的街道。在這背后，是GRAPES—TYM預先準確地抓取臺風(fēng)路徑和降水特征，提供了良好的臺風(fēng)預警服務(wù)。
依靠核心技術(shù)的快速發(fā)展，臺風(fēng)預報準確率得以顯著(zhù)提升。沈學(xué)順介紹，中國氣象局不僅開(kāi)發(fā)了GRAPES—TYM區域臺風(fēng)模式，投入使用的新版GRAPES—TCM在資料同化、渦旋初始化、GRAPES模式動(dòng)力框架和物理過(guò)程等方面也解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
針對多維山地、露天環(huán)境下的國外雪上項目場(chǎng)地制作氣象預報產(chǎn)品是個(gè)極具挑戰性的任務(wù)。在為參加韓國平昌冬奧會(huì )的中國代表團提供精細化預報服務(wù)產(chǎn)品過(guò)程中，中國氣象局以我國研發(fā)的3公里分辨率數值預報系統(GRAPES—Meso)的客觀(guān)預報產(chǎn)品為參考，結合韓國氣象廳提供的賽場(chǎng)觀(guān)測實(shí)況數據，由預報員進(jìn)行分析、訂正，最終給出預報結論。
當前，GRAPES全球數值預報系統平均可用時(shí)效超過(guò)7天，預報產(chǎn)品數量已增至70種，并出口到“一帶一路”沿線(xiàn)國家和地區，為當地提升災害性天氣預報能力、增強天氣預報準確性貢獻中國智慧和力量。
力爭再上臺階
未來(lái)，數值預報將著(zhù)力提升對局地強天氣的快速預報預警能力、對全球天氣尤其是大范圍轉折性天氣的可用預報時(shí)效
GRAPES數值預報系統發(fā)展規劃明確提出，到2020年，模式的計算精度和同化技術(shù)將再上一個(gè)臺階。我國將基本建成從局地公里尺度到全球10公里尺度的GRAPES氣象災害及環(huán)境精細化數值預報體系;形成下一代大氣模式框架原型系統，為天氣氣候一體化數值預報系統的建立奠定基礎。
邁出這一大步，意味著(zhù)數值預報技術(shù)的質(zhì)和量都要有新的飛躍。舉例來(lái)說(shuō)，GRAPES全球中期確定性預報系統的水平分辨率將達10公里、衛星資料同化占比超過(guò)80%、可用預報時(shí)效超過(guò)8天;我國大雨(雪)以上量級降水過(guò)程的0至12小時(shí)、0至24小時(shí)預報TS評分均比2018年提高15%，24小時(shí)臺風(fēng)路徑預報誤差小于70公里。
沈學(xué)順表示，提升對局地強天氣的快速預報預警能力、提高對全球天氣尤其是大范圍轉折性天氣的可用預報時(shí)效，是今后數值預報努力的重點(diǎn)，“數值天氣預報業(yè)務(wù)將朝著(zhù)全球公里尺度分辨率、海陸氣冰耦合數值模式系統、百米分辨率局地數值預報和多尺度集合預報方向發(fā)展”。
展望我國數值預報的未來(lái)，王建捷道出了自己的心愿：“我國還處于全球數值預報第二梯隊。希望創(chuàng )新步伐更快一些，早日進(jìn)入第一梯隊。”
