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聚焦创新工程:瞄准核心业务协同攻关

来源:中国气象报   发布时间:2016年09月22日08:02
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  编者按:数值预报、气候预测、资料同化,以及台风、暴雨、强对流预报等,都是气象部门的核心业务。中国气象局瞄准核心业务组建创新团队进行协同攻关,着力破解关键技术难题,为各项工作提供更有力支撑。《中国气象报》特别策划,展示气象创新团队在核心业务领域研究的前沿问题、关键环节和未来思路。


一张图了解国家气象科技创新工程实施方案(点击了解更多)

高分辨率资料同化与数值天气模式创新团队:

发展在国际上更有发言权的数值预报

  数值预报飞速发展,带动了过去40年间天气预报水平的节节提高。在我国,数值预报已经成为整个气象业务的核心基础,也是当前气象现代化的瓶颈。由此,2015年初,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。

  “从战略上说,这是重要的方向。”高分辨率资料同化与数值天气模式攻关团队带头人沈学顺说,“自主创新决不是买国外先进的产品,我国必须要有自己的数值预报,要不断累积,往前追赶。”

  2001年,我国数值预报团队开始自主研发我国新一代全球/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。

  自2015年被确立为三大攻关任务之一后,攻关的步伐明显加快。随着《数值预报创新工程科学方案》出炉,团队在全球资料同化、全球模式技术、集合预报、高性能计算、对流尺度精细数值预报、天气气候一体化模式关键技术研究等6个主攻方向发力。2015年底,评估专家组给出了整体成绩优秀的评价。

  今年,GRAPES全球预报系统(GRAPES_GFS V2.0)终于正式业务化运行并面向全国下发产品。评估显示,其7天预报水平高于我国原先使用的T639和GRAPES准业务模式;模式预报有效时效达7.3天;降水、湿度以及强降水影响系统的预报能力都有明显提高。

  尽管项目在全球大气数值模式的研制上取得重大进展,但是科学家们清楚,我国数值预报研发在国际上大约处于第三梯队。他们认为,在攻关过程中,必须提高对政府和老百姓极为关注的夏季短时强降水的预报能力,即发展对流尺度数值模式。这也正是下一步发展目标,团队将从模式动力框架计算的精确性、多种遥感资料的应用和复杂云分析技术出发,在为模式提供较为正确的初始场、描写对流云内降水和微物理过程的数值模型等方面下功夫。

  路线图越发明晰。中国气象局数值预报中心的“十三五”规划明确提出2017年到2018年,将建立以GRAPES为核心的业务体系。2018年到2020年,再让模式本身的计算精度和同化技术上一个台阶,提高预报能力和水平,做到全球10公里分辨率,东亚范围3公里分辨率。“最终,要在国际上更有发言权,让数值预报第一梯队成员有一天也会参考我们的预报产品。”沈学顺说。(孙楠)

次季节至季节气候预测和气候系统模式创新团队:

突破三大难点推进天气气候一体化预报

  在气候预测中,模式是最核心的工具,气候模式系统的研发与升级是当前世界各国气象界关注的焦点。2014年,由“世界气象研究计划”和“世界天气研究计划”两大科研团体共同发起的“国际次季节至季节尺度预测计划(S2S)”正式启动,旨在通过新的气候模式系统将预报尺度由原来的两周提高到60天,进而实现“无缝隙”气候预测——即“两周-月-季节-年-年际”尺度的预测。

  在此背景下,由国家气候中心承担的“次季节至季节气候预测和气候系统模式”项目承载着追赶国际先进水平、服务国家需求和助推气象事业发展这三个目标的重任。

  我国是利用气候系统模式开展气候预测日常业务的少数国家之一,但所用模式分辨率较国际水平仍有差距。比如,我国大气模式的水平分辨率为110公里,垂直分层为26层,而有些国家在科研领域的垂直分层能达到80层至90层。目前,高分辨率气候系统模式BCC_CSM2.0尚未在我国气候预测业务中发挥作用,一系列关键科学技术问题亟待解决。

  在经过深入研究和对比之后,次季节至季节气候预测和气候系统模式攻关团队设定了三个重点攻关方向:基于BCC_CSM2.0研制性能优良的新版本高分辨率气候系统模式,力争实现大气近30公里、垂直分层70层、模式顶0.01百帕、热带海洋六分之一度的模式分辨率以及物理过程参数化的发展;研究适合于高分辨率气候系统模式开展气候预测的初值协调,力争建立海洋、陆面、大气、海冰分量的耦合同化系统;研究模式初值、物理过程以及耦合过程等的不确定性对不同时间尺度气候预测的影响,力争建立针对不同时间尺度气候预测的集合耦合方法和基于高分辨率气候系统模式的集合预测平台。

  在项目推进的过程中,创新团队已取得了一系列阶段性成果,如气候模式发展取得重要进展——研发和完善了新版本耦合模式的三个不同分辨率版本BCC-CSM2.0-HR、BCC-CSM2.0-MR和BCC-ESM1.0,将大气、陆面、海冰模式分量在耦合模式版本中进行了版本更新;资料同化与气候模式预测一体化系统建设进展顺利。

  国际上开展的气候模式比较计划是了解气候系统模式的水平和存在问题的重要平台。团队带头人吴统文介绍,今年,他将携其创新团队开发的模式继续参与第六次国际气候模式比较计划(CMIP6)。通过与全球各国的气候模式“同场竞技”,发现我国模式的优势,查找和认清不足之处。

  “科研的过程是复杂而繁琐的,其中还伴随着大量的调试、发展与改进。”吴统文介绍,接下来,他们将细化步骤,将团队工作具体化,实现提高模式分辨率水平、改进初值、推进物理过程参数化这三大目标。 (王天雨 徐文彬)

气象资料质量控制及多源数据融合再分析创新团队:

给观测数据“去污提纯”

  在田野、山丘、蓝天乃至太空,气象观测设备不断采集着多样的观测资料。为发挥观测资料的潜力,气象科研团队还需要一道细心打磨的工序,对数据进行“去污”“提纯”。作为国家气象科技创新工程(2014-2020年)三大重点攻关任务之一,气象资料质量控制及多源数据融合与再分析的目标便是提供高质量的数据产品,使气象部门各项业务能够更好地开展。

  该攻关团队带头人刘志权介绍,开展气象资料质量控制及多源数据融合与再分析攻关,需要做好五方面工作,即全球大气再分析、气象资料质量控制评估与产品研发、气象卫星资料处理、多源数据融合和东亚大气再分析。全球大气再分析在各项工作中处于龙头地位,团队计划通过它的发展带动任务全局,让全球大气再分析系统与同化系统对接,反复磨合,建立更完整、更高质量的基础数据集,优化其在业务科研中的应用。这样一来,再分析系统与基础资料之间就可以建立起互相促进的良性循环。

  全球大气再分析工作的核心任务是建立自主研发的全球大气再分析系统(CRAS)。CRAS要实现准实时连续运行,并形成可持续发展的能力。目前,团队实现了T639/GSI-3Dvar的升级和流程优化,升级后,该系统能够同化美国国家环境预报中心使用的所有资料类型,并提升1倍的循环同化效率。观测资料质量评估系统已建立,为误差分析、质量控制、偏差订正、黑名单等工作奠定了基础。团队还建成了全球大气再分析运行监视系统,可直观对比CRAS与国际先进系统的观测数量和质量。在此基础上,团队研制了时长两年半的全球再分析试验产品,并初步建成全球大气再分析准实时运行系统。

  借助再分析方面的技术进步,基础资料业务也取得相应进展。目前,团队优化了资料质量控制思路,研发综合质控技术,初步建成大气再分析常规资料质控流程;整合多来源数据,大幅度提升全球基础数据完整性;各类资料初步完成了再分析基础数据准备。

  在多源数据融合与均一化方面,团队强化了5千米分辨率三源降水融合产品的业务应用,已应用于数值预报中心的区域高分辨率模式检验等。陆面产品质量不断提升,中国区域6千米土壤湿度产品质量已优于国际同类产品。海表温度融合技术取得突破,在试验中发现可通过海表温度监测到台风动向,优于美国产同类产品。针对已有的多套中国区域百年气温序列存在很大不确定性的问题,团队推进60年及百年尺度均一化数据产品的研制,建立了统计检验方法和台站历史沿革信息相结合的综合判断技术,减小了均一性检验和订正的不确定性。(刘钊)

  (来源:《中国气象报》2016年9月22日二版 责任编辑:张林)

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