高解析度資料同化與數值天氣模式攻關團隊匠心打磨自主氣象「晶片」

2020-12-06 氣象小秘書

編者按

近年來，中國氣象局通過創新人才工作機制，在氣象及相關領域，形成以高層次人才為核心、以骨幹人才為主體的創新團隊。這些創新團隊以業務科技項目為紐帶，以重點領域業務科研難題和關鍵技術為重點開展攻關，形成業務支撐。本報開設《創新團隊科技成果系列報導》欄目，展示他們在科研攻關、業務應用、人才培養、團隊組織等方面的豐富成果和先進經驗。

數值預報是氣象業務的核心科技之一，是氣象事業發展的「晶片」。在我國數值預報系統實現自主研發、應用、改進、發展的良性循環，全面建立國家級數值天氣預報業務體系和實現應用服務的過程中，高素質技術人才隊伍不斷湧現。高解析度資料同化與數值天氣模式攻關團隊（以下簡稱「攻關團隊」）就是最具代表性的團隊之一。

攻關團隊自2015年組建以來，在團隊首席科學家沈學順帶領下，各研究方向首席和團隊成員密切合作、協同攻關，建立了我國自主發展完整鏈條的數值預報業務體系，現有GRAPES系統的預報能力與國際先進水平的差距明顯減小，構建了從局地公裡尺度到全球25公裡尺度的GRAPES氣象災害精細化數值預報體系。在模式動力框架、物理過程、資料同化等領域發展並掌握了一批擁有自主智慧財產權的核心關鍵技術。

堅持自主研發 挑戰與新機並存

作為智慧氣象基礎支撐的數值天氣預報系統，觀測資料同化和數值預報模式是其兩大核心技術。攻關團隊就像一支尖兵，直插核心技術研發壁壘之上，為的就是突破瓶頸。

觀測資料同化如同製作一份描述大氣初始狀態的原材料，也就是初值，經過數值預報模式的運算「加工」，精細化天氣預報才能出爐。因此，讓初值更加接近大氣的實況，是提高預報準確率的基礎。啟動GRAPES全球四維變分資料同化系統（GRAPES全球4D-Var）研發工作勢在必行。

精細化數值預報方向首席孫健說：「研發我們自己的資料同化技術和數值預報模式，就像摸著石頭過河。雖然時刻面臨著困難和挑戰，但這也是突破技術瓶頸的先機。」

於是，攻關團隊堅定地走在獨立自主發展資料同化技術的道路上——

2016年，GRAPES_GFS全球模式三維變分同化系統投入業務應用；2017年，基於全球區域一體化的三維變分同化系統分別在GRAPES_GFS和GRAPES_MESO業務上實現升級；2018年，四維變分同化系統實現業務化，我國資料同化技術進入國際先進中心主流行列。

攻關GRAPES全球4D-Var，不僅解決了非靜力模式的切線性與伴隨模式研發中系列關鍵技術難點，還增加了觀測資料特別是衛星資料的使用量，使得預報技巧、準確率顯著提升。

推動成果轉化 促進業務發展

攻關團隊成立以來，接連完成目標任務，全面建成了以GRAPES為核心的全鏈條數值預報業務體系——

2015年12月，GRAPES_GFS2.0通過業務化評審；2018年6月，GRAPES全球四維變分同化系統通過業務化評審；2018年12月，GRAPES全球集合預報系統通過業務化評審，至此，我國自主發展的完整的數值預報體系正式建成。

今年6月30日，GRAPES_GFSV3.0全球同化預報系統通過業務化評審，在同化和預報效果上都有明顯改進，中長期降水預報得到改善，對夏季副熱帶高壓、冬季極渦等重要天氣系統的預報能力均有所提升，特別是平流層預報能力的提高更為顯著。

攻關團隊始終堅持推進科研成果轉化到業務應用中，又將業務實踐中發現的問題反饋科研，從而加以改進，形成一個螺旋上升的良性循環。

2019年，攻關團隊採用GRAPES全球切線性與伴隨模式，計算未來48小時颱風可能影響我國東部區域預報的觀測敏感區，並會同國家衛星氣象中心相關團隊，確定目標觀測區。隨後，風雲四號A星調整觀測方式，對目標區進行加密觀測，得到的資料又經過GRAPES全球四維變分同化系統的同化應用，有效改善模式的初始場，最終提高颱風路徑及強度預報的準確性。

此外，GRAPES_MESO中尺度數值預報 技 巧 穩 步 提 升 、覆 蓋 我 國 的GRAPES_MESO5.0（3公裡解析度，3小時循環更新）短時強天氣預報系統的建成以及多項數值預報關鍵技術的突破，為颱風暴雨強對流天氣短時預報和短期格點化精細預報業務提供了有力支撐。

凝聚團隊力量 匠心織繪未來

多年來，數值預報取得的突破主要靠的是技術，而技術的背後是人才。

「這麼多年、一代又一代氣象工作者全身心投入到發展我們自己的數值預報中，這在其他領域是不多見的。」在孫健看來，團隊凝聚的智慧和力量與鍥而不捨的奮鬥精神是推動氣象事業發展的寶貴精神財富。

「團隊的科技領軍人才幾乎都在歐洲中期天氣預報中心等技術先進機構開展過訪問工作，真正做到了把引進來和走出去相結合。」攻關團隊資料同化方向負責人、數值預報中心副主任龔建東表示，深入的國內外交流對數值預報中心的發展具有積極作用。

攻關團隊連續5年成功舉辦數值預報科學指導委員會（SSC）會議，凝聚了一批國際知名數值預報專家。各方向首席結合「十三五」重點專項研發任務，強化了各主攻方向的研發力量，並進一步加強與清華大學、西安交通大學、南京信息工程大學、中國科學院大氣物理研究所等高校院所專家的合作。

5年間，攻關團隊成員主持和參加了58項「十三五」重點專項、973項目、科技部國際合作專項、行業專項和國家自然科學基金等項目，16項研發成果分別獲得國家科技進步獎、中國氣象學會科技進步獎等獎項。一批批數值預報重點方向的領軍人才和骨幹研發隊伍從攻關團隊中脫穎而出。

數值天氣預報，是理論，是科技，甚至是工藝，須靜心鑽研，更需匠心打磨。

展望未來，沈學順說：「攻關團隊將持續優化和改進GRAPES數值預報系統，研發集合信息與四維變分結合的混合同化方案，並穩步提升全球和區域模式的解析度，通過關鍵技術的創新和持續演進，不斷提高業務預報能力。」

（來源：《中國氣象報》2020年11月19日三版 責任編輯：王美麗）

【來源：中國氣象報】

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