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他山之石

美国下一代全球预报系统研制战略——地球系统模式会让天气-气候模式走向统一吗?

导语

自从201410月日本向日葵8卫星升空后,下一代探测卫星让全球气象界有了新的期盼:卫星探测升级换代也许能促进计算机模式换代。而事实的确如此,从2014年开始,全球主要气象预报中心,纷纷提出未来5年左右模式升级换代的计划。其中,美国下一代全球预报系统(Next Generation Global Prediction SystemNGGPS)有别于目前气象界全球模式的概念,其框架在很大程度上具有地球系统模式的内涵,因此引起了全球气象界更多的关注。

NGGPS源起

数值天气预报从1970年代开始全面走向气象预报业务以来,因其能够用数值方法给出公认的准确评估,引发了世界主要气象预报中心之间关于预报准确性的激烈竞争,数值预报本身也在竞争中逐步发展。成立较晚的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)各项预报指标在最近数十年间稳居第一,一度成为之前无敌的美国国家环境预报中心(NCEP)追赶的对象。

NCEP的全球数值天气预报系统是美国国家气象局(NWS)履行其使命的核心支撑。2012年,桑迪飓风袭击美国东海岸并造成巨大损失,NCEP模式的问题也暴露出来,引发了美国政界、学术界乃至媒体和大众的诟病。在舆论的漩涡里,NWS也迎来了转机:作为美国桑迪飓风重建战略的落实步骤,在NWS能力建设的研究向业务转化项目(R2O)中,下一代全球预报模式系统建设被提上日程。美国国会向该项目拨款1480万美元,支持最先进的预报模式系统的研发,同时拨款1500万美元用于提高业务高性能计算能力,以支撑新模式的业务化运行。由此,NGGPS在美国政府推动下浮出了水面。201410月,NGGPS项目计划实施方案发布。

NGGPS模式被定位为5年后美国气象部门支撑所有预报产品的全球耦合模式,能应用于短期天气、延伸期(1周到4-6周)和季节及年预报的几乎所有天气气候预报产品。

一旦NGGPS如期完成,且在2020年前后实现其目标,将意味着气象界耳熟能详的无缝隙预报在预报中心全球模式层面上将成为现实;由于NGGPS加入了大气化学、空间天气等要素,实际上已经升级到地球系统模式,这也暗示着地球系统模式从研究到应用的转化;伴随NGGPS的研发,NWS的软件平台也将升级换代,适应新天气气候预报系统和最新高性能计算设备的模拟平台等也将一并实现,而这一切在全球具有示范意义。

图为全球耦合模式。

10大特色彰显下一代模式的魅力

作为下一代模式,NGGPS模式具备十大特征。

NOAA业务环境一脉相承。未来NGGPS模式的业务化运行,依然在目前的NEMSNOAA Environmental Modeling System, NOAA环境模拟系统)和ESMFEarth System Modeling Framework,地球环境模拟框架)的环境下。NEMS格点化要素的包装,体现在模式运行、完成、模式重要状态、输入和输出以及标准元数据等各个方面。因此,NGGPS的输出代码等内容,需要用独立的NEMS代码系统完成,从而保证了NGGPS在研制中和完成后,与目前NOAA数值模拟环境的完全对接。

模式的物理化学内容灵活有效。未来NGGPS模式将寻求更有效的动力核心,因此,模式的物理化学过程可以相应地分配到更多运算时间。NGGPS在分辨率上将采取更加灵活策略,不同高度上可能采用不同的水平分辨率;对某些物理过程采用不同的格点化方案,让模式运转更高效。

数据同化-多渠道改进。NGGPS模式的数据同化(DA)方案在某种程度上决定着整个模式的成败。目前欧洲中心和NCEP在数值预报上的差距,与后者在DA上处于劣势关系极大,因此,在大气同化方面,NGGPS开发组确定了更新和维持当前观测利用、继续开发GSIGrid-Point Statistical Interpolation,网格点统计插值)混合方案、强化云影响(全天候)辐射资料应用和改进对观测误差的描述等多个优先领域。

集合预报-湿度扰动改进能力。在集合预报部分,开发的重点放在海洋、陆地和海冰集合初始化上,部分原因是地面场和降水差距明显。NGGPS试图通过土壤湿度扰动和陆地表面参数化扰动,使得这样的状况获得改进。

天气预报-速度和分辨率是关键。未来NGGPS模式业务化运行是,每500秒就要做出124小时高分辨率预报,天气预报部分可以享38%的业务运算。因此在短期预报方面,NGGPS突出的是速度和分辨率。

季节预报-速度和守恒是关键。从季节预报角度看,未来NGGPS模式的物理(和耦合)能力较动力更重要。具备了季节预报能力的NGGPS模式,速度和守恒相对于短期预报动力核心中的分辨率更加重要。

飓风预报-建立在NEMS改进之上。NGGPS模式未来业务能力的提升,在很大程度上要靠其对飓风系统预报的改进来诠释。为此,NGGPS支撑体系NEMS的飓风网格动力核心需要作出改进:双向反馈(即包括了升尺度反馈捕捉飓风对环境的影响)和建立风暴跟踪网格。

空间天气预报-进入NGGPSNGGPS模式在空间预报方面,考虑地面以上600公里的范围,相当于地球半径的10%。该范围内可能出现2000K以上的高温和超过1000m/s的风速。另外,在进行空间天气预报时,痕量气体OO2需要单独处理,计算各自的比热和气体含量。

空气质量预报。为了做出准确的空气质量预测,NGGPS模式在运行时需要快速和准确的各种痕量气体守恒转化。一些痕量要素(气体)可以有自己的含量,其他(气溶胶)可能没有含量,而另外一些(TKE)可能没有质量。

适应性和灵活性。未来NGGPS模式作为统一的业务模式,面对各种需求和运行环境的改变,需要有很好的适应性和灵活性。

未来NGGPS模式的业务化运行,离不开其运行的业务环境系统。针对NGGPS,这些环境系统主要包括了NEMSESMF。最终,将形成覆盖性更强大的NUOPCNational Unified Operational Prediction Capability,国家统一业务预报能力)或平台。该平台的四大板块覆盖了预报产品生成的方方面面,可以使最好的预报分系统在预报平台上形成合力,从而获得最佳预报能力。

5个候选模式中的最优者将成大气动力核心模式的起点

NGGPS的开发,并非是铺开一张白纸,所有蓝图重新描画。实际上,新的下一代预报系统各主要耦合模式,在美国包括业务在内的平台上不乏影响和优秀的系统,可供NGGPS选择。

美国NOAA推出的下一代全球预报系统中的核心内容——大气动力核心模式,将从5个已经开发的模式中,通过两个阶段的严格测试,选取一个作为起点模式。之后利用大约5年的时间,在选出模式基础上完成新的可扩展非流体静力学模式动力核心的研发。

入围的5个大气动力核心候选模式将主要比拼对实际天气气候过程的解析能力。在5个候选模式中,两个出自NOAA实验室(GFDLESRL),其他3个分别来自NCARNCEPEMC)和美国海军。

在第一阶段测试中,NCEP嫡亲模式落选,胜出的两个模式分别来自NCARGFDL,它们有很多共性,例如灵活的网格设计,均采用Fortran语言,或多或少都含有天气和气候要素等。第二阶段的测试已经在今年315日完成,正式测试报告将于515日发布。6月底,NGGPS最重要的组成——大气动力核心的开发起点将被确定。

图为NGGPS动力核心测试第一阶段结果,基于5个模式在几项测试中的表现,NWS建议MPASFV3两个模式进入第二阶段测试。

NGGPS在开发流程和技术框架上的创新

借助NGGPS的开发,美国气象界,尤其是作为美联邦气象部门之核心的NCEP,在模式的研制基线、标准和业务环境等方面,着眼于未来进行了诸多深层次的准备。而NWS作为业务研发和应用部门,第一次成为招标方,具有了吸铁石作用。

NGGPS除了在动力核心上采用其他已有模式作为基础开发以外,其他部分依然以NCEPEMC研发为主。美国气象局部门内外的研发结果和方案,更多通过招标方式被NCEP引入开发队伍。这种引入的前提是,这些相关开发团队提供思想,再借助目前NCEP的业务环境实现。美国气象局希望所有开发源码是学术界共同的编码’”。考虑到NGGPS是包含了大气、陆地、海洋、冰层、气溶胶和空间天气等要素的完整地球系统模式,这样的开发战略一箭双雕:既借助各方最优秀的大脑提供数值解决方案,又将未来地球系统模拟放入NCEP的业务框架下,使NGGPS未来可能形成全球地球系统模拟标准范本。从根本上说,这不同于以往的机制创新。或许未来NWS还要更多扮演这一角色,促进美国乃至全球更多创新成果在业务端发挥作用。

值得关注的是,截至目前,在参与NPPGS开发的学者中,多达30位左右的华人科学家参与其中,对这些华人学者教育、研究经历的分析表明,他们中的大多数,遵循着本科中国博士海外的发展模式,取得硕士或博士学位。

NGGPS的风向标意义

NGGPS是美国气象主管机构NOAANWS,在ECMWF强大模式优势倒逼,以及国会先是质疑,然后采取加大支持力度的情形下,无奈采取的创新赶超手段之一。而当NGGPS实施后,主办机构完全以科学的态度制定了可行的推进方案,投入大量人力、物力。尽管NGGPS最终能否取得成功,超越今后5年肯定也会有所进步的ECMWF还不得而知,一些质疑声也会一直伴随着NGGPS,但是,NGGPS在更大范围的注视中被列入NWS今后几年与外界合作的核心课题,这种针对核心能力的博弈做法,对于世界上主要的国家预报中心具有风向标的意义。NGGPS开发理念和很多具体操作,值得更大范围世界同行关注和借鉴。

NGGPS的整个研发过程,除了关键的大气动力核心起点模式采取了走出去的方式遴选和评测确定外,其他方面大量工作,包括大气动力核心模式的进一步开发,均采取了走进来方式——即通过招投标吸纳手握先进技术的科学家按照要求参与开发。这样一个组织工作巨大、技术难度超强的创新过程充分利用了20113UCAR成立的UCACNUCAR社团NCEP指导委员会)。20153月,UCACN成立了UMACUCACN模拟指导委员会),主要职责是针对NCEP预报产品系列发展战略提供全面评估。

201512月,UMAC发表了第一份评估报告,指出美国的数值环境预报已经走到一个十字路口,美国的业务环境预报不再是世界领先者。而与此同时,美国却拥有巨大的环境预报资产,包括世界上最大的研究群体、开放的数据政策和健康发展的商业气象。据此,UMAC对处于落后的环境预报持乐观态度,表示其通过从根本上改变NOAA/NWS/NCEP业务,能够快速进步,重新达到世界领先水平。这一建议正在逐步落实。

不过,NGGPS最吸引眼球的是跨时间区域预报能力和从天气气候模式向地球系统模式的跨越,这些方面在技术和科学上的支撑目前并不清晰,未来4-5年里要完成和实现预计目标的难度不可小视。此外,NGGPS“走出去,请进来的范围似乎仅限于美国国内,而对国际上最先进的模拟技术和创新涉及较少。

49日,美国空间探索公司(SpaceX)在4次失败之后,终于成功在海上回收火箭。美国同行如果能在NGGPS项目的开发韧性方面能发扬SpaceX的科技攻关精神,地球系统模拟工具进入天气气候预报系统将很有可再一次出现。

(来源:《中国气象报》2016427日三版 作者:贾朋群 李婧华)

 

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