数值预报篇打造无缝隙天气气候预报预测数值

从古至今，人们从未停止过预测天气。而数值预报的出现，终于让“计算天气”成为可能，但这注定是一场艰难而漫长的征途。与其他变革不同，数值预报的难度极大，也被国家最高科学技术奖得主、气象学家曾庆存称为一场“从无到有的变革”。

尽管道阻且长，但刚刚过去的十年，一定是值得被郑重标注的节点。这十年，我们离“解读”地球系统的目标迈进了重要一步。每天，国、省、市、县四级气象部门向外滚动发布预报产品，而无论是小到一个街道，大到省份、全国乃至全球，无论是未来3天、10天，还是两个月、一年，甚至数年，每一份预报结论的背后，都有“中国智造”数值预报业务系统作支撑。它们名称不同、任务各异，但加在一起，正代表着我们已拥有一套完整且完全自主的数值天气预报业务体系。

当站在年，我们望向这一庞大体系：它能够并且正在解答地球系统的哪些重要问题？若我们进一步把视野打开，带来这些伟大变革的，究竟又是一股怎样的力量呢？

置入“芯片”“计算”地球

现在，我们以此时此刻为一个“点”，面向前后分别拉一条线，后面一条线代表过去，前面一条线代表未来。

每一天，中国气象局数值天气预报业务体系按时按点高时空精度产出海量产品。加一点想象力，你可以把这一过程看作对地球风云的“解码”。顺着我们画好的时间之线，从过去到未来，它正在将一幅怎样的地球风云图景以科学的形式展现在我们面前？

年9月30日，中国气象局地球系统数值预报中心启动会现场

时间拉回到年，从那时到现在，我们能看到过去40多年来，从地面到55公里高度的全球三维大气状况，正以水平分辨率34公里的格点、时间分辨率6小时的速度一路向前，完整重现。原本分散的资料，被转化为均匀、精确、可信的格点化数据。这背后，突破原始观测资料局限的，是我国第一代全球大气/陆面再分析系统（CMA—RA）。

稍微抬眼看去，每3个小时就更新一次的天气预报产品，正在告诉你未来3天哪些地方可能会出现局地强对流和极端天气。这背后，快速循环同化的中国气象局中尺度天气数值预报系统（CMA—MESO）以及区域集合模式（CMA—REPS）、台风模式（CMA—TYM）提供了重要支撑。说一个最近的，当9月14日各级气象部门正全力迎战向我国华东沿海一路奔袭的台风“梅花”，区域集合模式和台风模式等提供的台风路径、强度、风雨预报产品，正在为预报员分析研判、精准预报提供必不可少的参考……

如果想知道再远一些的，比如10天、15天全球天气形势如何？是否会发生大范围转折性天气？高影响天气发生的概率如何？没问题，无论是确定性预报，还是概率预报，中国气象局全球同化预报系统（CMA—GFS）和全球集合预报系统（CMA—GEPS）等都能提供丰富而全面的产品。还是台风“梅花”，早在9月8日，也就是它最终登陆的几天前，CMA—GFS和CMA—GEPS就已经“捕捉”到它并开始不断滚动提供路径、强度等预报产品。

当然，不少行业希望能够提前获知未来两个月甚至一年的气候状况，比如温度、降水、大气环流等大致特征，以作提前规划。从科学上，这已远超天气预报的可预报性，但是，次季节—季节—年际尺度一体化气候模式预测业务系统（CMA—CPS）通过探寻与天气预报不同的理论体系，正在提供包括次季节—季节和季节—年际预测问题在内的科学回答。

在全球气候变暖的当下，预知百年之后全球气候将何去何从，渐渐正在成为全社会的“刚需”，中国气象局研发了包含大气、陆面、海洋、海冰多圈层耦合的气候系统模式，已开始参加世界气候研究计划（WCRP）组织实施的第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）了……

这很寻常，因为在年，每天无论全国哪个地区的气象预报员，都可以沿着这一条时间线，轻松调用任一想要参考的产品。这也很不寻常，十年中，随着这些关键系统相继投入业务应用，“拼图”被一块块放上，最终，一个完整的地球风云图景被展现出来。

是的，这是一个无缝隙天气气候预报预测数值模式体系。

系统工程科技驱动

从量变到质变，一定是点滴积累。在CMA模式的发展中，我们看到的是整个系统工程的“向上”和“向前”。

十年中，与CMA模式发展有关的大事记有很多，其中，有几个科学名词被反复提及，“四维变分”和“集合预报”正是其中之二：对于提高数值模式天气预报的准确率和可用度，单个模式往往难以达到目标，故常采用集合方法；与三维变分相比，四维变分可更有效同化更多高时间频次的常规资料和各类卫星资料，故要狠下决心做。

然而，知易行难。年7月，带有四维变分同化系统的CMA全球预报系统投入业务运行，4个月后，国家级完整数值预报业务体系的最后一块“拼图”——中国气象局全球集合预报系统通过业务化验收评审，让科学设想真正成为现实的，正是对最核心技术的无数次“解锁”：从四维变分中非静力全可压全球切线性模式和伴随模式的创新，到模拟初始大气误差概率密度函数的最佳方法，利用奇异向量构造的集合预报初始扰动，在这个必须直面的“战场”上，我们实实在在拥有了自主知识产权的核心关键技术。

如果把视野进一步放宽则会发现，这样的情形不只在数值模式本身，在大气运动规律的数学物理表达被解锁的同一时代，与之关联的整个系统工程都在以类似的节奏同步发展。

伴随日均观测数据使用量从三维变分的万到四维变分的万，必须提到的是其中卫星数据种类成倍提升，起重要支撑作用的是我国“风云”系列卫星资料全面应用。十年中，“风云”卫星家族增加7位新成员，它们带来的绝不仅是数量的变化，更是此前国内甚至国际从未有过的卫星观测数据。

当升级到5.0版本的中国气象局中尺度天气数值预报系统（CMA—MESO）建立起3公里分辨率逐3小时快速循环同化预报系统时，这背后，是全国部实时业务雷达资料的同化应用。十年中，雷达监测网规模世界第一，部新一代天气雷达“即扫即传”，业务可用性达99%。

不仅是卫星，也不仅是雷达，当数值模式已经从最初简单的正解方程发展到世界上最复杂的软件项目之一，海量数据和数百万条代码如何才能自如“驰骋”？我国自主研发的国产高性能计算机“派—曙光”为它们搭建了一个自由的“疆场”。正是依托这样一个高性能计算和支撑平台，中国气象局全球同化预报系统（CMA—GFS）和全球集合预报系统（CMA—GEPS）有了业务化的“底气”，也创造了模式运行效率显著提升的可能性……

只看这些科学本身的力量，已足以让人热泪盈眶。但如果我们再往前探寻，又是什么支撑起来了这些科技进步和伟大变革？我们看到的，是每一个个体探寻前沿科学的勇气和毅力。

年底，当“区域/全球一体化数值天气预报业务系统”荣获国家科学技术进步奖二等奖，当十年磨一剑甚至是数十年磨一剑的团队成员来到人民大会堂时，他们心中的所想依然是在攀登路上——在领奖前的一个月，中国气象局地球系统数值预报中心成立，望向大力发展我国自主可控的地球系统数值预报模式这个共同的“山峰”，每个人都重新审视了那条属于自己的攀登之路。

对于地球系统的基本物理、化学和生态系统过程，下一个十年，将会有哪些新的认知被解锁？将会有哪些新的系统被打造？我们期待。

中国气象局宣科中心（中国气象报社）出品

作者：卢健

编辑：张琳皓谷星月宛霞

审核：段昊书

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