GRAPES：十年磨一劍

管成功

我們?nèi)粘５奶鞖忸A(yù)報(bào)就是預(yù)報(bào)一個(gè)地方未來某個(gè)時(shí)刻的大氣狀況（包括溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度和氣壓）和天氣現(xiàn)象（晴、多云、雨、雪等）。以前，人類只能通過觀察當(dāng)前的天氣現(xiàn)象結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測(cè)未來的天氣狀況，如“朝霞行千里，晚霞不出門”等。后來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)也應(yīng)運(yùn)而生，并且在人們的日常生活中發(fā)揮著重要作用。

初識(shí)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

大氣是一種流體，它的基本運(yùn)動(dòng)遵循著流體力學(xué)基本理論。氣象學(xué)家們通過對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)所遵從的流體力學(xué)和熱力學(xué)的基本定律進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到了一組關(guān)于大氣狀態(tài)變量的偏微分方程，包括運(yùn)動(dòng)方程、熱力學(xué)方程、連續(xù)方程、狀態(tài)方程和水汽方程，他們稱其為大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組。在已知大氣的當(dāng)前狀態(tài)與大氣周邊的環(huán)境條件（前者為初始條件，后者為邊界條件）下求取方程組的近似數(shù)值解，就是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)為人類能夠預(yù)測(cè)未來更長(zhǎng)時(shí)間的天氣提供了科學(xué)上的依據(jù)，天氣預(yù)報(bào)水平也因數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的出現(xiàn)而得到大幅度的提高。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在應(yīng)用上分為理論研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用，我們?nèi)粘闅庀箢A(yù)報(bào)和服務(wù)提供重要支撐的是業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)每天24小時(shí)都在運(yùn)轉(zhuǎn)，并在特定時(shí)刻啟動(dòng)未來天氣的滾動(dòng)預(yù)報(bào)，生成預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

GRAPES的誕生

20世紀(jì)90年代初，中國(guó)氣象局從世界最先進(jìn)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心—?dú)W洲中期天氣預(yù)報(bào)中心引入了T42、T63、T106、T213系列數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并在2008年自行升級(jí)到T639，使我國(guó)成為了世界上少數(shù)幾家能夠提供全球1～10天預(yù)報(bào)產(chǎn)品的國(guó)家。

1999年，中國(guó)業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)走上自主研發(fā)之路，我國(guó)自主研發(fā)的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)有個(gè)很好聽的英文名字“葡萄”，即GRAPES，它的英文全名是Global-Regional Assimilation and Prediction System，即全球區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)。GRAPES包括了同化和模式兩大核心模塊，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同又衍生了GRAPES-MESO（中尺度模式）、GRAPES-GFS（全球模式）和GRAPES-TYM（臺(tái)風(fēng)模式）等系統(tǒng)。然而，真正能代表我國(guó)自主研發(fā)的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)能力的當(dāng)屬GRAPES全球數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的來龍去脈

因數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的問題，所以需要有規(guī)則的數(shù)據(jù)排列和整齊劃一的數(shù)據(jù)單位。

預(yù)報(bào)時(shí)，首先要將覆蓋在地球表面的大氣進(jìn)行網(wǎng)格化處理，這就如同將地球從地表面向上直到對(duì)流層頂，蓋上若干層有規(guī)則的、相互間有一定距離的網(wǎng)。按照一定數(shù)學(xué)規(guī)律，GRAPES給地球覆蓋了水平網(wǎng)格距為25千米的大網(wǎng)，從地面到大氣平流層底（大約35千米）一共鋪設(shè)了60層，使地球大氣形成了一個(gè)無(wú)形的巨大的網(wǎng)格空間。然后，利用資料處理技術(shù)將來自全球的各種氣象觀測(cè)工具獲得的觀測(cè)資料，如地面觀測(cè)站、探空觀測(cè)、雷達(dá)觀測(cè)和衛(wèi)星觀測(cè)等，合理分布到每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上，從而獲得某一個(gè)特定時(shí)刻與真實(shí)大氣最為接近的三維網(wǎng)格分布。

當(dāng)每60層網(wǎng)格點(diǎn)上都有數(shù)據(jù)后，我們就擁有了一個(gè)非常規(guī)則完整的大氣狀態(tài)，從而為進(jìn)行數(shù)值計(jì)算提供了必要的初值條件。下一步就是采用已經(jīng)離散化處理的大氣運(yùn)動(dòng)方程組估算各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上下一個(gè)時(shí)刻的大氣狀態(tài)。在國(guó)內(nèi)外眾多模式中，GRAPES采用的理論方法如垂直坐標(biāo)的選取、水平網(wǎng)格的選取、數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性、精度，質(zhì)量和能量守恒性等方面，均較為先進(jìn)。

GRAPES的時(shí)間積分采用的是國(guó)際流行、先進(jìn)的半拉格朗日積分方案，其積分時(shí)間間距靈活性較大。在目前0.25度分辨率下，每次積分間距是5分鐘，拿全球10天預(yù)報(bào)來說，就是要積分2880次才能完成。為了滿足天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)需求，如此大的計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量需要非常高性能的計(jì)算機(jī)才能在有限時(shí)間內(nèi)完成。

在完成大氣運(yùn)動(dòng)方程的積分后，還需要考慮外界對(duì)大氣的影響，引起大氣要素的改變，如太陽(yáng)輻射、地面和海洋對(duì)大氣的熱力學(xué)影響，以及降水等相態(tài)變化帶來的影響。這時(shí)，GRAPES系統(tǒng)中另外一個(gè)重要部分—業(yè)內(nèi)人士稱之為物理過程—開始發(fā)揮作用。物理過程包括大氣輻射、邊界層、陸面過程、云過程等方面，主要是熱力學(xué)屬性的變化對(duì)大氣狀況的影響。在大氣運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算完成后，GRAPES會(huì)根據(jù)一些科學(xué)參數(shù)方法將物理過程的熱力學(xué)貢獻(xiàn)增加上，同時(shí)對(duì)天氣現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算，如在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)下了多少雨、天空云量分布等，這樣就完成了1步的時(shí)間積分。如此重復(fù)2880步，就完成了未來1～10天的預(yù)報(bào)。

（責(zé)任編輯/岳萌 ?美術(shù)編輯/胡美巖）endprint