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归来!为区域数值预报之崛起而奋斗

来源:中国气象报   发布时间:2019年01月07日09:20
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  改革开放以来,我国的数值天气预报虽然有了很大发展,但其科技水平与业务效果与发达国家还存在较大差距,从而制约了我国气象预报水平与服务效益的提高。随着改革开放的深入推进,包容、友好的政策为海外人才回国提供了良好的工作条件和氛围。

  2008年北京奥运会受到世界瞩目,在这背后,为奥运提供的数值天气预报服务并不为多数人所知。敏锐的气象人看到了区域数值预报在未来的“不可或缺”,为了给2010年的上海世博会提供气象服务,也为了长江经济带的快速发展,华东区域中尺度数值天气预报模式应运而生。

陈葆德

  勇担重任,主抓模式细节

  2006年,中国气象局大力推进以“多轨道、集约化、研究型、开放式”为目标的业务技术体制改革,力图发挥多轨道业务优势,全力做好公共气象服务,气候变化就是这八大业务轨道之一(其余为天气、气候、生态与农业气象、大气成分、人工影响天气、空间天气、雷达)。2007年,我离开美国回到中国,受聘为中国气象局特聘专家,在上海气象局领导气候变化业务轨道,带领华东各省市组成的团队完成了我国第一份区域气候评估报告——《华东区域气候变化评估报告》。

  一年后,国家气象中心和北京市气象局为北京奥运会研制与提供的数值预报产品取得了巨大成功。为了两年后上海世博会顺利举办,华东区域数值预报模式的研发成了上海市气象局的首要任务。我之前在美国主要从事气候模式的研究,读博士期间也做过支持模式研发的有关观测研究。担下这个重任,我既兴奋又激动。重拾“旧业”,不仅需要发挥所长,更意味着在一片新的土壤开始创业。

  既是创业,必少不了艰辛。由于当时国内做模式的经验不多,预报员大多依赖欧洲和日本的数值预报结果,但国外的数值系统对我国的复杂地形、观测资料等考虑不足,参考价值打了不少折扣。以往自主研发的模式系统比较粗糙,一个不起眼的地方出错经常影响整个模式的运行。发现这个问题后,主抓每一个细节就成为工作的重中之重。只有每一块砖都放合适了,高楼大厦才建得起来。除了细节,计算机落后也是数值预报模式发展缓慢的一个重要因素。在上海市气象局的全力支持下,我们购入了一台计算能力为4T的IBM计算机,这在全国区域气象中心当时已属“顶配”。

  刚到上海市气象局研发华东区域中尺度数值预报模式时,研发团队里只有一个女孩杨玉华博士。后来,团队首席运营官王晓峰博士、研究模式物理过程的黄伟博士、研究模式框架和物理过程的张旭博士、从事资料同化的张蕾博士和李佳博士、负责模式运维的许晓林、谭燕、徐同以及高性能计算技术支撑的殷岳等相继加入团队。我们始终坚持以“立足本职、敬业守信,无私奉献”的工作理念为气象事业服务。如今的上海区域高分辨率数值预报创新中心团队已是一支高学历、高素质、有朝气的科技研发团队。

  开放包容,区域数值预报初露锋芒

  我于1993年出国,1998年获得加州大学洛杉矶分校大气科学专业博士学位,回国前已在美国宇航局(NASA)工作了8年。回国后,我充分感受到国家这些年的发展变化。对比现在与刚回国时的情形,居民出行越来越方便,学生学习的内容越来越贴近国际,业务人员工作表现得越来越专业。随着改革开放继续深化,相信国家会不断打破束缚思想的桎梏、扫除阻碍发展的藩篱。

  中国气象事业的发展也是日新月异。从观测系统的建设与更新、数值预报的研发与应用、超级计算机的升级与换代,再到吸引、优待人才等各个方面,都在不断进步。作为一名“海归”,中国气象局对人才的尊重令我感受颇深,也感受到身边同事对我工作的认同,这种自上而下的氛围让我可以充分发挥技术优势,踏踏实实为国家做事。

  印象最深的是2008年的冬天,南方出现了罕见的冰冻雨雪天气。当时上海的数值预报模式报出了暴雪天气,但是欧洲中心模式并没有类似的预报结论,因此预报员没有重视。在当时的情况下,如果上海出现暴雪天气而不及时防范,会造成巨大损失。我们在数值预报结果的支撑下,大胆地在局内发布了暴雪天气预警,局里组织提供了非常及时、详细的气象服务,减少了不必要的损失。也就是在这次暴雪后,大家才开始建立对华东区域数值预报模式的信心。

  目前,华东区域建立了一整套“无缝隙”数值天气预报模式系统,形成了“中高低分辨率合理搭配,多种局地观测充分融合、预报时效长短统筹兼顾、产品制作分发及时稳定”的业务应用体系。该业务预报体系在2010年上海世博会以及之后的多个重大活动中均发挥了重要作用。华东区域中尺度数值预报模式已成为国家气象中心业务平台中重要的参考模式之一。经过对多个天气过程的预报效果检验,华东模式是目前我国最好的中尺度模式之一,尤其是在近年汛期局地强降水过程预报中多次发挥重要作用。

  苟利国家,华东区域模式从无到有再到精

  从上世纪七八十年代起,数值预报就逐渐成为现代气象预报的“首席预报员”。与欧美发达国家相比,我国的数值预报起步较晚,存在较大差距。但就数值预报模式而言,初期发展缓慢,达到一定水平后会发展得越来越快,现在以GRAPES为代表的我国数值预报就处在“加速奔跑”阶段。

  打开国门搞建设,坚持开放优先,以开放促改革。在开放合作的氛围下,中国气象局和上海市气象局打破禁锢,将继承性和前瞻性贯彻到底,学习世界上先进的经验和做法,给中国数值预报带来了大发展。我们这代人是中国改革开放的先头部队,想法一致,目标一致,苟利国家,不求富贵。华东区域中尺度数值预报模式系统实现从无到有,从有到精,再到实现互相联合、全国共享,是改革开放的结果。

  要改革,就要打破常规,实现突破,上海区域高分辨率数值预报创新中心的成立与建设就是集中体现。它的每一步都离不开中国气象局和上海市气象局每届领导的支持与担当,以及团队成员的心血与努力。

  科研是枯燥的,在枯燥中坚守,在坚守中定下新的目标。如今,团队立足华东区域,建立了一整套区域“无缝隙”数值天气预报模式系统,包括快速同化更新预报系统(3公里)、中尺度预报系统(9公里)和中尺度集合预报系统(9公里)。在此基础上,还加入了1公里高分辨率区域模式。

我国发行的以数值预报为主题的邮票。

  分辨率从9公里到3公里再到1公里,当数值预报分辨率越来越高,意味着网格越织越密,同时也意味着对计算量和计算速度的要求呈幂指数增长。目前,“实验室版”(prototype)的1公里分辨率数值预报产品试验结果良好,并在今年上海进博会的气象服务中进行了准业务试运行。待“1公里版”真正实现业务化时,我们将在每平方公里的网格上通过超级计算机提供分钟频次的气象预报,这是国际上目前无人达到的业务化数值预报精细度。

  模式分辨率提高到一定程度,之前的物理过程参数化就不再适用。对此,我们发展了针对大气次网格湍流混合的三维尺度自适应参数化方案,研发了对流参数化中网格自适应算法,在“灰色区域”尺度相关参数化研究方面取得了突出成果,部分处于世界先进水平。以上海市气象局命名的三维尺度自适应混合参数化方案(SMS-3dTKE),2019年上半年将在WRF的最新版本中向全球发布。

  目前,国家数值预报中心正在领导研发中国下一代全球数值预报模式,我们团队负责与承担着物理过程参数化的研发任务。期待在五年后,中国下一代全球预报模式能正式面世,投入业务。(作者系上海区域高分辨率数值预报创新中心首席科学家,谷星月、王玫珏采访整理)

(来源:《中国气象报》2019年1月7日四版 作者:陈葆德 责任编辑:张林)

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