FV3成美國天氣預報動力核心模式

　　NGGPS項目經過兩個階段嚴格測評。從6個候選模式中選出FV3作為美國下一代天氣預報模式的動力核心模式。

　　基於FV3的新預報系統將改進8到10以上預報的準確性；對颶風路徑和強度給出更好模式預報；將天氣預報延伸至14天。

　　未來，數值天氣預報產品將像電子地圖一樣，能按需提供解析度更高的細節。

　　7月27日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）宣布，將以NOAA地球流體動力學實驗室（GFDL）開發的FV3（ Finite-Volume on a Cubed-Sphere立方球有限體積）模式為預報系統新的動力核心模式，並在3年內開發出下一代預報系統。下一代全球預報系統（NGGPS）項目仍將沿用目前系統的名稱，被稱為全球預報系統（GFS）。但2018年以後推出的全新GFS將具備更多體現下一代模式的高性能。從現在開始的3年內，新GFS模式的研發將是NOAA乃至美國全國優先開展的重要科技創新活動。

　　

　　在關鍵天氣事件中，FV3具備「放大」能力。如圖所示，當颶風襲擊美國西南部時，該模式的解析度能夠被放大。而地球另一面因為不需要過多關注，所以解析度相對較低。由此，我們能夠針對全球重點區域、潛在危險風暴以比較經濟的方式獲得更高的解析度。（來源：NOAA 翻譯：張格苗）

　　從「6選1」的PK中勝出

　　NGGPS項目2014年開始實施，目標非常明確：研發美國下一代天氣預報模式。NGGPS項目沒有從零開始，而是聚焦模式系統關鍵部件——動力核心模式，在2014年末選定了6個候選模式。經過第一階段嚴格評測，該項目選出NCAR研製的MPAS（跨尺度預報模式）和GFDL的FV3模式，進入「決賽」階段。最終，FV3勝出，下一代預報系統研發全面啟動。

　　FV3的最終勝出，得益於該模式優良的特性。作為NOAA重要的實驗室之一，GFDL研發的FV3模式上個世紀90年代中期從美國國家航空航天局（NASA）的戈達德空間飛行中心（GSFC）引入，早期多用於大氣化學模擬和氣候模擬。經過多年開發，FV模式第3個版本，即FV3，最重要的特徵之一是採用拉格朗日垂直坐標，使其既保證了準確性，又能在計算有效性方面獨樹一幟，高於對手。例如，在「決賽」一項性能基準測試中，FV3效率得分96.9%，高於對手的63.5%。因為高性能和相對簡單的模式結構，FV3與對手的人力投入比為45:70，計算機能力增加比為28%：288%，在成本測試中全面勝出。在模擬準確性和計算有效性上的優勢，使得FV3被認為能以目前業務模式還不能達到的更高解析度對雲和風暴過程進行模擬，從而在下一代模式體系中，很好地改進對小尺度天氣特徵的描述。

　　這意味著，基於FV3的未來預報系統在每6小時做出全球預報的同時，還能針對一些天氣事件提供局地預報。該系統將具備「放大」功能，通過局地更高解析度的計算，讓預報員看清風暴演變的更多細節。未來，數值天氣預報產品將像電子地圖一樣，能按需提供更高解析度的細節。這一新功能可以讓有限的計算能力集中在預報員特別關注區域預報量的輸出上。

　　根據NOAA的聲明，基於FV3的新預報系統，將致力於改進8到10天以上預報的準確性；對颶風路徑和強度給出更好的模式預報；天氣預報延伸到14天，激烈天氣預報提前3到4周。與當前預報有效時間一周左右的極限相比，這是一個巨大的挑戰。但是，針對颶風和強風暴等極端天氣，如果可預報時間能進一步提前至3周以上，就能讓未來強天氣災害防禦的準備時間更寬裕。

　　動力核心模式已經確定，下一代GFS模式研發將步入快車道。NOAA研發人員將組織大量的試驗、分析和驗證工作，與預報系統相關的其他部分，如耦合算法、數據同化和驗證等，也將在新的軟體平臺上實現。

　　爭議也可能帶來正能量

　　NOAA宣布FV3勝出的同時，也指出另一個競爭模式MPAS的兩大不足：在實際模擬中處於下風，無法模擬颶風眼，計算能耗和時耗更多。

　　爭議也圍繞著這樣的結果出現，特別是在動力核心模式「決賽」前更堅信NCAR傑作MPAS會勝出的NOAA體系外學者，表達了更多不滿和失望。

　　美國華盛頓大學克利夫·馬斯堅持認為，MPAS要優於FV3，前者更適合對流風辨率（格距在4千米以下）模擬。下一代模式的解析度都是在這樣的量級上，NOAA的選擇很難說是著眼於未來。針對FV3在計算有效性上的優勢，馬斯認為，MPAS具有更高的有效解析度，允許一些計算用粗糙解析度進行而得到同樣結果，所以兩個模式計算速度的差異實際上不存在。馬斯特別指出，NOAA選擇的一個關鍵因素是MPAS由NCAR研製，這可能意味著氣象部門與體量巨大的美國學術界劃清了界限。NOAA的選擇會讓歐洲人暗笑，因為據他所知，歐洲目前研製的模式和MPAS很像。

　　儘管馬斯言辭激烈，但他表示，動力核心模式僅是預報系統中的一小部分。在整個系統的研發上，NOAA仍需也一貫表示要藉助美國學術界的強大力量。下一步的測試將更加真實，所有人仍都有機會。馬斯善意提醒NOAA當局，如果資源允許，可以嘗試平行開發兩套全球模擬系統。美國氣象部門走出去到學術界開發整個系統，系統預報試驗之間的「硬對話」才能把機會給予真正的好系統。

　　還有科學家指出，模式開發以外的工作具有重要意義，如計劃升空的GOES-R衛星能提供更好的數據，NASA需要加大在地球觀測上的投入等。

　　重奪預報模式世界第一

　　藉助NGGPS開發，美國氣象界，尤其是作為美聯邦氣象部門核心的國家環境預報中心（NCEP），在模式研製基線、標準和業務環境等方面進行了諸多著眼於未來的深層次準備。美國氣象局作為業務研發和應用部門，第一次成為「招標」方，具有了「吸鐵石」作用。NGGPS計劃也許能為全球下一代模式的統一技術平臺提供範本。

　　據了解，NGGPS除了在動力核心上最終採用其「內部」國家實驗室模式其他已有模式外，其他部分依然以NCEP的EMC（環境模擬中心）研發為主。學術界的研髮結果和方案更多地通過「招標」方式被NCEP引入開發隊伍，但引入的前提是由開發團隊提供思想，再藉助目前NCEP的業務環境實現。

　　事實上，NWS在實現氣象現代化後，雷達資料和衛星等觀測數據成為美國氣象觀測網的重要補充，使得NWS引領的研究社區（NWS-led community）業已形成。這樣的研究圈子除了聯邦機構，還包括實力強大的美國高校（如NCAR）和企業，研究氛圍也很獨特。而NGGPS項目藉助美國聯邦政府立法，號召力已經超越了NWS，甚至NOAA，成為美國氣象界的共同目標。NWS和NOAA既是參與者，也是組織者和審定者。

　　NWS還將NGGPS作為NCEP核心能力建設的重要組成部分。藉助該項目，NCEP將建設統一的編程開發（community code develop）環境，在NCEP建立技術層面上的統一模擬能力。

　　此外，模式的整體框架將重新搭建，以適應最新HPC（高性能計算）的架構，如CPU/GPU混合或大規模集成核心（Massively Integrated Cores，MIC），充分發揮新設備在模擬運算中的優勢。

　　而這些，都成為美國氣象部門欲藉助NGGPS重奪世界第一的底氣。在世界各國頻繁使用「下一代」標榜其技術進步時，NGGPS真正啟動了「下一代」模式的研發，這或許是又一個重要的氣象基礎業務能力換代計劃。NGGPS預計將於2018年完成，2019年投入業務應用，成為NWS的「當家模式」，服役至21世紀中期。

　　（來源：《中國氣象報》2016年8月3日三版 作者：賈朋群）