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国家级数值预报业务体系将全部由自主研发技术替代

中国气象局展示的气象预报预测系统模型。 本报记者 郭静原摄

  在全球天气监测网络和庞大的超级计算机系统支持下,人们观云识天的方式从单纯依靠经验向应用物理、数学方法计算风云变幻的数值天气预报转变。如今,我国自主研发的GRAPES全球数值预报系统大幅提高了天气预报准确率和预报时效,预报产品数量增至70种,并出口到“一带一路”沿线国家和地区,为当地提升灾害性天气预报能力、增强天气预报准确性贡献中国智慧

  从第一张天气图问世至今,已有100多年历史。人们观云识天的方式也从单纯依靠经验向应用物理、数学方法计算风云变幻的数值天气预报转变。在全球天气监测网络和庞大的超级计算机系统支持下,天气预报准确率和预报时效不断提高。

  近日,记者从中国气象局了解到,我国数值预报发展到2018年,国家级数值预报业务体系将全部被自主研发的技术所替代。从“零”到“一”,再从“一”到“全部”,核心技术的自主创新正在推动中国数值预报系统迈向国际舞台。

  攻克核心技术

  我国业务数值天气预报走上自主研发之路,中国区域短期降水预报能力已接近欧洲中期天气预报中心

  简单来说,预报天气就像在解一道非常复杂的数学题。随着科学技术发展,人们逐渐认识到大气是一种流体,它的运动轨迹遵循着流体力学基本理论。利用计算机,气象学家通过求解描写大气运动规律的偏微分方程组,算出天气变化结果,数值天气预报由此应运而生。

  “到了夏天究竟是南方降水多还是北方多?日常气象业务包括天气预报、山洪地质灾害预报、空气质量预报、航空气象预报等,都要运用数值预报技术进行测量。”中国气象局数值预报中心副主任、国家重点领域数值预报创新团队负责人沈学顺告诉经济日报记者,无论是天气预报还是气候预测都离不开数值预报。可以说,数值预报是整个气象业务的核心与基础。

  然而,在过去很长一段时间,全国早间天气会商中,预报员最常提及的还是“欧洲中期天气预报中心模式”。“一直到1999年之前,我国数值预报技术走的都是引进路线。可国外的核心技术始终对我们保密,引进成本又高,在关键技术的消化和掌握上我们总是落后一程。”沈学顺说。

  认清形势,下定决心,要牢牢把握核心技术应用的主动权。1999年,我国业务数值天气预报走上自主研发之路,开启全球区域同化预报系统(GRAPES)研发。2016年,正式业务化运行并面向全国下发产品的GRAPES全球预报系统,被视为代表我国数值预报技术能力的跨时代之作。

  “自主创新绝对不是照搬国外先进的系统和产品,我们必须要有自己的数值预报,积极发挥系统在中国地区的应用成效。”中国气象局数值预报中心主任王建捷表示,与国外模式相比,中国区域短期降水预报能力目前已接近欧洲中期天气预报中心。

  面向数值预报领域重大需求,中国气象局在构建数值预报创新团队基础上,联合国家级气象业务单位、研究机构和高等院校等优势资源组建攻关团队,越来越多的新生力量汇入自主创新大潮。“我们必须要有围绕核心问题的基础研发积累和持之以恒的研发储备,要有让创新活力得到充分激发的体制机制,还要有踏踏实实做科研的人才队伍。”王建捷说。

  就在去年6月份,“数值预报云”正式投入业务运行,标志着我国数值预报应用全面进入“云时代”。全国气象部门通过数值预报云客户端均可快速共享中国气象局数值预报中心和华北、华东、华南三大区域气象中心的高分辨率区域数值模式产品,提高了各地精细化预报能力。

  展现强劲实力

  依靠核心技术的快速发展,GRAPES全球数值预报系统平均可用时效超过7天,预报产品数量也不断增加

  数值预报“中国造”不仅仅是一个口号,而是一种实力的体现。

  让沈学顺引以为傲的是,团队为2016年G20杭州峰会提供的一系列精细、客观、量化的10类24种气象服务产品,从中期、短期预报时效产品实时掌握天气情况,到西湖精细预报产品点对点观察湖面和近地面各高度层风场环境,再到10分钟烟火扩散预报、短临预报时效产品等,保障了大会期间重要节点和表演顺利进行。

  与硬实力匹配的好成绩还远不只这些。2017年夏天,当台风“天鸽”在广东珠海市南部沿海登陆时,回应它的是停飞的航线、回港避风的渔船和空无一人的街道。在这背后,是GRAPES—TYM预先准确地抓取台风路径和降水特征,提供了良好的台风预警服务。

  依靠核心技术的快速发展,台风预报准确率得以显著提升。沈学顺介绍,中国气象局不仅开发了GRAPES—TYM区域台风模式,投入使用的新版GRAPES—TCM在资料同化、涡旋初始化、GRAPES模式动力框架和物理过程等方面也解决了一系列关键技术问题。

  针对多维山地、露天环境下的国外雪上项目场地制作气象预报产品是个极具挑战性的任务。在为参加韩国平昌冬奥会的中国代表团提供精细化预报服务产品过程中,中国气象局以我国研发的3公里分辨率数值预报系统(GRAPES—Meso)的客观预报产品为参考,结合韩国气象厅提供的赛场观测实况数据,由预报员进行分析、订正,最终给出预报结论。

  当前,GRAPES全球数值预报系统平均可用时效超过7天,预报产品数量已增至70种,并出口到“一带一路”沿线国家和地区,为当地提升灾害性天气预报能力、增强天气预报准确性贡献中国智慧和力量。

  力争再上台阶

  未来,数值预报将着力提升对局地强天气的快速预报预警能力、对全球天气尤其是大范围转折性天气的可用预报时效

  GRAPES数值预报系统发展规划明确提出,到2020年,模式的计算精度和同化技术将再上一个台阶。我国将基本建成从局地公里尺度到全球10公里尺度的GRAPES气象灾害及环境精细化数值预报体系;形成下一代大气模式框架原型系统,为天气气候一体化数值预报系统的建立奠定基础。

  迈出这一大步,意味着数值预报技术的质和量都要有新的飞跃。举例来说,GRAPES全球中期确定性预报系统的水平分辨率将达10公里、卫星资料同化占比超过80%、可用预报时效超过8天;我国大雨(雪)以上量级降水过程的0至12小时、0至24小时预报TS评分均比2018年提高15%,24小时台风路径预报误差小于70公里。

  沈学顺表示,提升对局地强天气的快速预报预警能力、提高对全球天气尤其是大范围转折性天气的可用预报时效,是今后数值预报努力的重点,“数值天气预报业务将朝着全球公里尺度分辨率、海陆气冰耦合数值模式系统、百米分辨率局地数值预报和多尺度集合预报方向发展”。

  展望我国数值预报的未来,王建捷道出了自己的心愿:“我国还处于全球数值预报第二梯队。希望创新步伐更快一些,早日进入第一梯队。”