從第一張天氣圖問世至今，已有一百多年歷史。人們觀雲識天的方式也從單純依靠經驗向應用物理、數學方法計算風雲變幻的數值天氣預報轉變。在全球天氣監測網絡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效因此而與時俱進。
↑由中國氣象局展示的氣象預報預測系統模型。郭靜原攝
近日，記者從中國氣象局了解到，我國數值預報發展到2018年，國家級數值預報業務體系將全部被自主研發的技術所替代。從「零」到「一」，再從「一」到「全部」，核心技術的自主創新正在推動中國數值預報系統邁向國際舞臺。
把握核心技術主動權
簡單來說，預報天氣就像在解一道非常複雜的數學題。
隨著科學技術發展，人們逐漸認識到大氣是一種流體，它的運動軌跡遵循著流體力學基本理論。利用計算機，氣象學家通過求解描寫大氣運動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？日常氣象業務包括天氣預報、山洪地質災害預報、空氣品質預報、航空氣象預報等，都要運用數值預報技術進行測量。」中國氣象局數值預報中心副主任，國家重點領域數值預報創新團隊負責人沈學順告訴記者，無論是天氣預報還是氣候預測都離不開數值預報。可以說，數值預報是整個氣象業務的核心與基礎。
然而，在過去很長一段時間，全國早間天氣會商中，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，我國數值預報技術走的都是引進路線。可國外的核心技術始終對我們保密，引進成本又高，在關鍵技術的消化和掌握中我們總是落人一程。」沈學順說。
認清形勢，下定決心，是要牢牢把握核心技術應用的主動權。1999年，我國業務數值天氣預報走上自主研發之路，開啟全球區域同化預報系統（GRAPES）研發。2016年，正式業務化運行並面向全國下發產品的GRAPES全球預報系統，被視為真正能代表我國數值預報技術能力的跨時代之作。
「自主創新決不是照搬國外先進的系統和產品，我們必須要有自己的數值預報，積極發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，且該系統對中國區域降水預報形勢，特別是我國東南部主降水區預報形勢與實況更為接近。
面向數值預報領域重大需求，中國氣象局在構建數值預報創新團隊基礎上，還聯合國家級氣象業務單位、研究機構和高等院校等優勢資源組建攻關團隊，越來越多的新生力量匯入自主創新大潮。「我們必須要有圍繞核心問題的基礎研發積累和持之以恆的研發儲備，要有讓創新活力得到充分激發的體制機制，還要有踏踏實實做科研的人才隊伍。」王建捷說。
就在去年6月，「數值預報雲」正式投入業務運行，標誌著我國數值預報應用全面進入「雲時代」。全國氣象部門通過數值預報雲客戶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解析度區域數值模式產品，這對提高各地精細化預報能力大有裨益。
硬實力秀出好成績
數值預報「中國造」絕不僅是一個口號，它習慣用實力展現擔當。
讓沈學順引以為傲的，是團隊為2016年G20杭州峰會提供的一系列精細客觀量化的10類24種氣象服務產品，從中期、短期預報時效產品實時掌握杭州天氣情況，到西湖精細預報產品點對點觀察湖面和近地面各高度層風場環境，還有10分鐘煙火擴散預報、短臨預報時效產品等保障了大會期間重要節點和表演的順利進行。
與硬實力匹配的好成績還遠不止如此。2017年夏天，當颱風「天鴿」在廣東珠海南部沿海登陸時，回應它的是停飛的航線、回港避風的漁船和空無一人的街道。在這背後，是GRAPES-TYM預先準確地抓取颱風路徑和降水特徵，為颱風預警服務打下提前量。
依靠核心技術的快速發展，颱風預報準確率得以顯著提升。沈學順介紹，2012年，中國氣象局開發了GRAPES-TYM區域颱風模式，該模式水平解析度為0.15°，垂直解析度為32層；2015年又將其水平解析度提高到0.12°，垂直解析度提高到50層。同年投入使用的新版GRAPES-TCM還在資料同化、渦旋初始化、GRAPES模式動力框架和物理過程等方面解決了一系列關鍵技術問題。
針對多維山地、露天環境下的國外雪上項目場地製作氣象預報產品，又是個極具挑戰性的任務，但也難不倒我國數值預報技術的更新換代。今年冬季，中央氣象臺為韓國平昌冬奧會中國代表團提供精細化預報服務產品。這是該臺首次為我國奧運健兒提供海外賽場的氣象保障服務。
中國氣象局主要以我國研發的3公裡解析度數值預報系統（GRAPES-Meso）的客觀預報產品為參考，結合韓國氣象廳提供的賽場觀測實況數據及地形影響，由預報員進行分析、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效超過7天，預報產品數量已增至70種，並出口到「一帶一路」沿線國家和地區，為當地提升災害性天氣預報能力、增強天氣預報準確性輸送中國智慧和力量。
著眼未來再上臺階
GRAPES 數值預報系統發展規劃明確提出，到 2020 年，模式的計算精度和同化技術將再上一個臺階。我國將基本建成從局地公裡尺度到全球10公裡尺度的GRAPES氣象災害及環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，意味著數值預報技術的質和量都要有新的飛躍。舉例來說，GRAPES 全球中期確定性預報系統的水平解析度將達10公裡、衛星資料同化佔比超過 80%、可用預報時效超過 8 天；我國大雨（雪）以上量級降水過程的0至12小時、0至24小時預報TS評分均比2018年提高15%，24小時颱風路徑預報誤差小於70公裡；國家級環境氣象預報模式預報時效延長到7天。
沈學順表示，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範圍轉折性天氣的可用預報時效，是今後數值預報努力的重點。
「下一步，數值天氣預報業務將朝著全球公裡尺度解析度、海陸氣冰耦合數值模式系統、百米解析度局地數值預報和多尺度集合預報方向發展。」沈學順說，這方面，GRAPES團隊有著深厚的研究基礎，團隊研發的多矩約束有限體積法實現了嚴格的數值守恆、高精度計算和萬核計算機上的高可擴展性，為發展我國下一代天氣氣候一體化大氣預報模式奠定了堅實基礎。該方法也被國際同行認可為「利用高精度計算技術開發新一代大氣模式動力框架的代表性工作之一」。
展望我國數值預報的未來，王建捷道出了自己的心願：「如果把歐洲中期預報中心以及美國、英國和日本等看作是數值預報領域的第一梯隊，那我國目前還處於第二梯隊。希望再經過多年的發展，讓我們的創新步伐更快一些，早日接近甚至進入第一梯隊。」
（見習編輯：於浩）