人工影响天气
天气预报“中国芯”,你知道多少?
2018-05-08 23:00  浏览次数:

    从第一张天气图问世至今,现代气象预报技术发生了巨大的变化。在我国,作为气象预报的核心技术之一——数值预报,发展至今,国家级数值预报业务体系已初步实现“中国智造”引领下的自主研发。
  从“零”到“一”,再从“一”到“卓越”,核心技术将逐渐摆脱受制于人的局面,我国的气象预报“重器”将逐步迈向国际舞台。
  核心技术要掌握在自己手里
  借助电子计算机,气象学家通过求解描写大气运动规律的偏微分方程组,算出天气变化结果,数值天气预报由此诞生。
  预报天气就像在用计算机解一道非常复杂的数学物理题。数值预报是整个气象业务的核心与基础。
  过去,欧洲中期天气预报中心的数值预报模式是我国预报员开展业务预报的主要参考模式。
  为了让预报员尽快用上我国自主研发的预报产品,数值预报中心团队不断攻坚克难,奋斗经年。
  “自主创新绝不是照搬国外先进的系统和产品,中国必须要有自己的数值预报,这需要坚持既定技术路线不动摇,不断累积,在防灾减灾实践中磨砺前行。”中国气象局数值预报中心副主任、国家重点领域创新团队——数值预报团队负责人沈学顺说。
  一步一个脚印,中国数值预报模式实现“零突破”——
  2001年,中国气象局开始自主研发新一代全球-区域通用数值天气预报系统GRAPES,并在区域模式上取得成功。
  2006年,GRAPES区域数值预报业务系统(GRAPES-Meso)正式投入业务运行。
  2007年7月,GRAPES的研发全面进入全球模式系统发展阶段。
  2012年,GRAPES研发团队入选国家重点领域科技创新团队,这是我国气象领域的唯一一支国家级科技创新团队。
  2014年,高分辨率资料同化与数值天气模式被确定为国家气象科技创新工程三大攻关任务之一,自主创新的脚步不断加快。
  2016年,正式业务化运行并面向全国下发产品的GRAPES全球预报系统,被视为我国数值预报技术体系实现国产化的重要标志,也宣告我国基本掌握了从全球预报到区域高分辨率预报的系列数值预报核心技术。
  国家气象中心主任王建捷研究员说:“要完成科技攻关、自主创新,必须要有围绕核心问题的基础研发积累和持之以恒、日积月累的研发储备,必须要有让活力得到充分激发的体制机制,必须要有一支踏踏实实的科研队伍。”
  围绕数值预报重大核心攻关任务,中国气象局在数值预报创新团队的基础上,以数值预报中心研发力量为主,联合国家级气象业务单位、研究机构和高等院校等优势力量组建攻关团队,越来越多的科研人员汇入到自主创新的大潮中。
  从生产到应用磨砺真功夫
  用实力说话,数值预报的“中国造”绝不仅是一个口号。
  2017年夏天,当台风“天鸽”在广东珠海南部沿海登陆时,停航的航班、回港避风的渔船和空无一人的街道是人们给出的回应。在这背后,GRAPES-TYM大显身手,提前准确抓住台风路径和降水特征,为台风预警服务打下了提前量。
  台风“天鸽”致珠海全市“四停”。图/中新网
  台风预报准确率不断提升的背后是气象核心技术的快速发展。2012年,中国气象局开发了GRAPES_TYM区域台风模式,该模式水平分辨率为0.15°,垂直分辨率为32层;2015年这组数据被刷新,水平分辨率提高到0.12°,垂直分辨率提高到50层。在2015年投入业务使用的新版GRAPES_TCM,在资料同化、涡旋初始化、GRAPES模式动力框架和物理过程等方面解决了一系列关键技术问题。
  利用新版模式,中央气象台为韩国平昌冬奥会中国代表团提供精细化预报服务产品。这是该台首次为我国奥运健儿提供海外赛场气象保障服务。
  针对多为山地、露天环境下的国外雪上项目场地制作气象预报产品有较大难度。中国气象局主要以我国研发的3公里分辨率数值预报系统(GRAPES-Meso)的客观预报产品为参考,结合韩国气象厅提供的赛场观测实况数据及地形影响,由预报员进行分析、订正,最终给出预报结论。
  GRAPES-Meso是我国自主研发的新一代非静力中尺度数值预报系统,早在前几年的重大活动中,就已经崭露头角。在2014年南京青奥会气象保障服务中,GRAPES-Meso发挥了重要作用,气象部门精准的预报和贴心的服务给公众留下深刻的印象。
  2016年,GRAPES为G20杭州峰会提供精细客观量化服务产品共10类24种,实现无缝隙保障。
  当下,GRAPES全球数值预报系统平均可用时效超过7天,预报产品数量已增至70种,并出口到“一带一路”沿线国家和地区,为当地提升灾害性天气预报能力、增强天气预报准确性提供了中国智慧、中国力量。
  让“国货”对标国际先进
  虽然中国数值预报实现了从“零”到“一”的突破,但要实现从“一”到“卓越”、进入国际先进行列仍需付出艰苦的努力。
  GRAPES数值预报系统发展规划明确提出,到2020年,模式的计算精度和同化技术再上一个台阶。我国将基本建成从局地公里尺度到全球10公里尺度的GRAPES气象灾害及环境精细化数值预报体系;形成下一代大气模式框架原型系统,为天气气候一体化数值预报系统的建立奠定基础。举例来说,GRAPES全球中期确定性预报系统的水平分辨率将达10公里、卫星资料同化占比超过80%、可用预报时效超过8天;我国大雨(雪)以上量级降水过程的0至12小时、0至24小时预报TS评分均比2018年提高15%,24小时台风路径预报误差小于70公里;国家级环境气象预报模式预报时效延长到7天。
  提升对局地强天气的快速预报预警能力、提高对全球天气尤其是大范围转折性天气的可用预报时效,是今后数值预报努力的重点。
  “未来,数值天气预报业务将朝着全球公里尺度分辨率、海陆气冰耦合数值模式系统、百米分辨率局地数值预报和多尺度集合预报方向发展。”沈学顺说。在这方面,GRAPES团队有着深厚的研究基础。比如,团队研发的多矩约束有限体积法实现了严格的数值守恒、高精度计算和万核计算机上的高可扩展性,为发展我国下一代高精度、守恒、高可扩展性的天气气候一体化大气模式奠定了基础。该方法被国际同行认可为“利用高精度计算技术开发新一代大气模式动力框架的代表性工作之一”。
  展望我国数值预报的未来发展,王建捷道出了自己的心愿:“如果把欧洲中期天气预报中心以及美国、英国和日本等看作是数值预报领域的第一梯队,那我们目前还处于第二梯队。希望再经过多年发展,我们可以接近甚至进入第一梯队。”



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