「換代」漸成氣候——2016年國際氣象風雲走筆

　　2016年，國際氣象風雲的突出特徵，如果用一個詞來概括，「換代」或許是幾個最集中被選中的詞彙之一。2016年最後兩個月，中國和美國的首顆，以及日本的第二顆下一代地球靜止氣象衛星成功進入軌道，讓太平洋及東西大陸區域整體性進入了下一代靜止氣象衛星的「無縫隙」監測之下，而中國首顆碳衛星歲末升空，為全年的「換代」畫上了圓滿句號。

　　劃時代意義的下一代地球靜止氣象衛星群，將構建新的「天基」觀測架構

　　中美下一代地球靜止氣象衛星風雲4A星和GOES-R衛星相繼在歲末成功進入軌道，加上2014年升空的日本下一代靜止軌道葵花-8星和2016年11月升空的葵花-9星順利升空，全球下一代氣象衛星新格局在泛太平洋區域基本布設完畢，人類氣象衛星觀測時代的升級率先吹響了進軍號。

　　不僅如此，2016年12月的另外兩顆衛星的成功發射，也給全球氣象界帶來驚喜。先是12月15日，經過兩次延期後，美國NASA成功將「颶風全球導航衛星系統」（CYGNSS）星座中的8顆衛星送入軌道。該星座的每顆衛星是50釐米×60釐米×30釐米大小、質量僅約30千克的小衛星。8顆衛星組成的星座大大增加了地球可觀測面積，衛星分列排布，讓觀測區域內的同一地點，每12分鐘就可以有一次觀測。因為CYGNSS藉助GPS開展觀測，二者組合能夠每隔數小時就提供一幅整個熱帶地區風速分布新圖像。CYGNSS計劃2017年颶風季節開始業務化運行，讓全球氣象界充滿期待。

　　隨後，在12月22日，中國自主研製的首顆全球大氣二氧化碳觀測科學試驗衛星在酒泉衛星發射中心成功發射，該衛星的成功運行，將使我國初步形成針對全球、中國及其他重點地區的大氣二氧化碳濃度監測能力。

2016年12月22日，中國首顆碳衛星成功發射。圖片來源：新華社

　　如果說地球靜止衛星直接帶來常規氣象業務中地球天基探測的換代，那麼探測颶風細節的CYGNSS星座和探測全球溫室氣體排放的中國碳衛星的成功運行，無疑帶來天氣和氣候研究手段上的換代。這樣的換代會很快惠及氣象科學的學科發展以及眾多的交叉學科的發展和應用。

　　模式換代將讓更多海量觀測數據的價值獲得極大提升

　　2016年初美國氣象學會年會上，來自美國國家氣象局氣象環境預報中心（NCEP）等機構的多位專家，就美國下一代預報模式的研發機制、過程和最新進展等，進行了較為全面的闡述，這一定位為「美國NCEP統一的耦合全球模式」（NGGPS）的系統，被寄予厚望，很有可能促進美國未來換代的全球模擬系統的開發，吸引了全球氣象界的關注。

　　NGGPS的出臺，最早要追溯到2012年。當年因「桑迪」颶風襲擊美國東海岸並造成了巨大損失，作為重建戰略的落實步驟之一，在美國國家氣象局能力建設項目中，NGGPS被提上日程。美國國會向該項目撥款1480萬美元作為研究向業務轉化基金，此外還撥款1500萬美元用於提高業務高性能計算能力，以支撐新模式的業務化運行。

　　如果NGGPS能在2020年前後如期實現設計的功能，其換代意義表現在很多方面。首先氣象界耳熟能詳的無縫隙預報在全球模式層面上將成為現實，NGGPS將成為裡程碑。此外，由於NGGPS加入了大氣化學、空間天氣等要素，實際上已經升級到地球系統模式，這也暗示著地球系統模式從研究到業務應用轉化的實現。最後，伴隨NGGPS的研發，美國國家氣象局軟體平臺也將進行實質性的升級換代，適應新的天氣氣候預報系統和最新高性能計算設備的模擬平臺，包括系統硬體和軟體規範和標準等也將一併實現，這一切無疑具有全球性的示範意義。

　　2016年7月27日，美國海洋大氣管理局（NOAA）宣布，其下一代天氣預報模式的研發起點——模式新的動力核心模式將以NOAA位於普林斯頓的地球流體動力學實驗室（GFDL）開發的FV3（立方球有限體積）模式為藍本，在3年時間裡開發出下一代預報系統。

　　NOAA體系中最重要的實驗室之一GFDL研發的FV3模式，最早於上世紀90年代中期從NASA的戈達德空間飛行中心（GSFC）引入，多次改進後早期多用於大氣化學和氣候模擬。目前，經過多年開發的FV模式升級到版本3，其最重要的特徵是拉格朗日垂直坐標。正是這一特徵，使其在保證模式準確性的同時，在計算有效性方面獨樹一幟，高於其他對手。而模式最新的改變，是用傳統的半隱式算法處理聲波的垂直傳播，也同樣起到了提高計算有效性。FV3在模擬的準確性和計算有效性兩方面的優勢，被認為可以在目前業務模式還沒有達到的更高解析度上，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。

　　FV3良好的性能，能讓未來預報系統在每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。特別是系統具有的「放大」功能，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。未來的數值天氣預報產品，很像目前的電子地圖，更高解析度的細節可以按需提供，數值天氣預報這樣的新功能可以讓有限的計算能力，集中在預報員特別關注的區域預報上。

　　藉助FV3動力核心模式，新預報系統的目標也被更加具體化。如包括改進8天至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，劇烈天氣預報時間提前到3周至4周。這樣的目標，首先挑戰當前預報有效時間為一周左右的極限，此外，颶風和強風暴等極端天氣，將可預報的時間進一步延長到3周以上，從而讓未來強天氣災害的預防有充分的準備時間。如果氣象界再等待3年，NGGPS如期實現這些目標的話，模式實現了「換代」的意義也不言而喻。

　　值得關注的是，在模式研發上，美國緊追的歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）在2016年7月發布的該中心2016-2025年戰略中，其預報方面的實質性目標與NGGPS的期待「不謀而合」。而至少目前，ECMWF尚沒提出另外研發新模式的情況下，也讓歐美之間這場模式能力的競爭，成為氣象業務模式前行的方向選擇：重來還是改良。歐美的選擇，實際上都有「換代」的含義，即讓模式的能力實現跨越式的提升。

　　探空報格式換代被部分擱置，挑戰換代理念與實施的決心

　　20世紀中期以來，全球大約數百個無線電探空站，每天兩次釋放探空氣球，對大氣不同高度的氣象要素，即大氣的層結進行觀測。無線電探空網，從其開始運作，就一直是全球氣象觀測系統中的重要組成部分。

　　在技術層面上，1946年無線電探空網業務化運作時，限於當時傳感器探測、數據傳輸等技術的水平，以及氣象業務和研究對大氣層結數據的需求，探空儀探測得到的大氣層結數據，規範為「陸地測站高空壓、溫、溼風報告」（簡稱TEMP）格式或標準，並在該標準規範下記錄和參與全球氣象數據交換。

　　應用了70餘年的TEMP標準，目前來看非常落伍。如該標準僅僅把大氣分為100層，已經比不上很多業務運行模式的垂直分層數；溫度和高度的最小增加量分別為0.2℃和10米，而且因為TEMP格式固定，新的觀測項目，例如空氣品質或大氣化學要素等的觀測值，如果不更換硬體和軟體系統就無法進入TEMP報告參與全球交換。特別是隨著探空氣球技術、傳感器技術和數據傳輸技術的飛躍，探空氣球升空後可持續採集數據超過兩個小時，最後到達的高度在30千米或更高。於是，探空氣球傳送回的最後數據，實際上已經從氣球釋放地點（探空站地點）「漂移」出100千米以上，從精細化角度看，一次探空記錄的數據已經難言是探空站點上空大氣的層結的數據了。

　　1988年，世界氣象組織通過了用新的編碼，即BUFR碼替代TEMP，探空編碼格式的換代正式開始。BUFR碼被稱為表格控制編碼，這種更靈活的二進位編碼，具有通用性和記錄更多信息等多方面的優勢。2002年WMO基本系統委員會正式啟動MTDCF（轉為表格控制編碼）項目，並制定了編碼升級計劃。2003年TEMP格式被「凍結」，2007年以BUFR碼編發的探空報業務化，與TEMP編碼平行使用。

 

兩種編碼探空獲取的溫度層結數據及預報結果的例子。BUFR碼每秒鐘採集獲得更密集的數據，可獲取揭示更多細節的溫度層結曲線。圖片來源：BAMS網發論文

　　然而，探空編碼的換代看似簡單和水到渠成，但因為全球有大約200個國家的氣象部門擁有一天兩次探測的探空站，它們情況各異，換代過程和以後的維持意味著更多投入。目前全球約800個探空站中，還有四分之三沿用過時格式，無法實現WMO計劃在2014年11月全部探空站使用新的、更強大的二進位BUFR碼的目標。這樣的換代被部分擱淺，雖然情況複雜，但總數下降且無價意義的全球探空站大氣層結數據，讓全球氣象學者呼喚換代儘快再次起航。

2015年12月1日至31日全球探空站數據編碼分布，真正實現BUFR編碼的探空站僅集中分布於歐洲和澳大利亞地區。圖片來源：BAMS網發論文

　　氣象服務理念換代：國情決定了藉助科技進步的轉向

　　全球氣象人在如何基於科技進步提供更好服務的理念升級方面，似乎也來到了十字路口。

　　2016年11月，在廣州舉行的世界氣象組織基本系統委員會（CBS）第16屆會上，CBS主席布蘭斯基表示：「過去，氣象部門主要精力放在科學上，讓用戶去思考如何使用預報產品。而現在，需要更加注意用戶參與，通過社會化的媒介和機制，提供針對性服務」。查閱世界各國氣象部門的使命，基本大同小異，然而，在「提供」氣象服務的方式上，是做出預報就完成任務，還是針對不同用戶提供天氣氣候影響分析，甚至進一步給出應對決策的方案，CBS主席的說法實際上是在「換代」氣象機構的主導思想。

　　美國國家氣象局（NWS）顯然希望用行動詮釋，即氣象部門直面解決方案。NWS執行長墨菲先生2016年12月應邀在中國氣象局進行的一次演講中，詳盡闡述了該局讓氣象服務與各行各業的決策更緊密聯繫在一起的思想。墨菲指出，美國基於氣象信息做出的救命決策，有94%發生在地方。他強調沒有被用到的完美預報難言有任何意義，美國的基層氣象機構工作的重點應該向決策支持轉移，而這樣做的原因之一是數值預報精準度的提升，預報員很難對數值預報產品「說三道四」了。

　　墨菲先生闡述的很多思想具有一定的啟發意義，但上述觀點至少對中國情況來說，適用性要打折扣。首先，中國氣象服務至少在與地方密切結合方面，已經高度融入地方各級政府的重大決策過程中，預報信息的價值很難被忽視，這一點或許值得美國同行學習。然而，服務於各行各業的決策，是我們下一步需要思考的。

　　關於模式性能提升與預報員對模式預報產品介入的問題，在一定程度上，可以借鑑面對「自行車、汽車和飛機，哪個容易學」的問題，人和機器人回答完全不同，需要進行更深入的思考。在2016年8月深圳召開的全球人工智慧與機器人峰會上，牛津大學計算機系主任伍爾德裡奇的自問自答的這個問題，指向普通人（回答肯定是自行車最容易，開飛機最難）和指向機器人（得到相反的回答）時，回答截然不同。這位阿爾法圍棋軟體支持團隊的成員，也用這樣的簡單問題，預示了預報模式（機器人）和預報員（人）之間優勢和劣勢。

　　雖然機器人和天氣預報模式還不能完全劃等號，但至少在自動天氣預報意義上，模式在氣象界起到了機器人的作用。如果我們把飛機、汽車和自行車行駛範圍劃定為全球、區域和局地尺度的話，模式會和機器人一樣，首先在全球和區域尺度上獲得了突破，而對中小尺度天氣系統解讀，即使模式換代成功，也會面臨類似機器人駕馭自行車的困難。

　　因此，我們或許可以說，換代的模式永遠不可能完全屏蔽掉預報員診斷、發現和彌補模式欠缺的機會。

　　企業反哺或許讓政府部門的視野更加寬闊

　　無論是中國氣象學會2016年會，還是CBS在廣州舉辦的屆會，大量中國企業登場亮相，闡述氣象科學和應用的新技術、新手段和新方式，極大豐富了氣象業內人士的視野。實際上這也是世界氣象界的重要趨勢之一。這樣的趨勢可以在多方面進行解讀。

　　首先，在大數據應用、預警信息傳播方面，IT類企業自身優勢明顯，且其各種業務越來越無法離開氣象信息，因此與氣象界廣泛合作是發展戰略使然。

　　其次，在道路交通氣象、航空氣象、農業氣象、旅遊氣象等重要氣象應用領域，因為氣象信息產生的巨大收益而形成不斷壯大的市場，讓更多企業試水其中，提供以用戶為中心的服務。這樣的服務還為氣象部門如何開展定製服務打開思路，提供樣板。

　　最後，在小衛星、衛星GPS應用和遙感探測等高科技領域，企業憑藉其敏銳嗅覺和靈活機制，已經或將要走到氣象部門之前，而且這種反哺政府核心氣象事業的能力，未來將藉助市場和政府購買服務等方式，更多走向前臺，極大促進氣象事業加速前行。

　　例如，美國國家氣象局2016年以政府購買渠道，購買了兩家公司的無線電掩星大氣探測數據。和美國國家氣象局常規的類似項目COSMIC（氣象、電離層和氣候衛星觀測系統）比較，目前該局從COSMIC的6顆衛星獲得的數據量為每天2000至3000個點，即使未來COSMIC-2（衛星數量達到12顆）實現業務化，日數據量最多達到10000個點。而一旦商業GPS數據渠道打開，日數據量將提高到5萬至10萬個點。這意味著，藉助企業最新技術可以實現「彎道超車」式的換代。

　　再如，NASA最新發射成功的用於颶風探測的CYGNSS小衛星星座，其中的關鍵負載——空間GNSS接收遙感設備（SGR-ReSI）是由英國薩裡衛星技術公司研製的。該星座的8顆小衛星均裝載該儀器並形成延時都卜勒繪圖儀。正是該儀器讓CYGNSS具有探測颶風內部的能力，並利用反射計數據反映風速。

美國NASA發射的CYGNSS星座中核心負載SGR-ReSI由英國企業開發研製。圖片來源：UKMO

　　中國IT行業圍觀氣象、美國企業反哺NOAA、英國企業提供CYGNSS核心技術的類似案例還有很多，2016年案例更多湧現或許還有更深刻的意義。很多跡象表明，在全球創新趨勢中，「公私合營」越來越多地成為創新高效模式而受到關注，「跨界」則成為創新的新常態。這裡，「公私合營」是指政府部門在越來越多的領域通過與企業合作開展技術研究，而「跨界」意味著氣象行業通過將IT新技術應用和拓展到社會經濟生活的更多領域而充分體現氣象信息價值所在。從這些視角上看，2016年表現出更加清晰的「換代」，對氣象人來說更加意味深長。

（來源：《中國氣象報》2017年1月4日三版 作者：賈朋群 責任編輯：吳鵬）