全球數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展及展望

王毅 周慶亮 代刊 張曉美 劉向文

（1 國(guó)家氣象中心，北京 100081；2 中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081；3 國(guó)家氣候中心，北京 100081）

0 引言

準(zhǔn)確的天氣、氣候、水和環(huán)境信息不僅對(duì)于人類抵御自然災(zāi)害具有重要作用，也對(duì)保障日常社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的高效和安全以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)決策具有重要意義。1963年，世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）推出了在全球范圍內(nèi)開展規(guī)范、收集、分析、加工和分發(fā)天氣、氣候和其他環(huán)境信息的一項(xiàng)核心計(jì)劃——世界天氣監(jiān)視網(wǎng)（World Weather Watch，WWW）計(jì)劃。它由全球觀測(cè)系統(tǒng)（Global Observing System，GOS）、全球通信系統(tǒng)（Global Telecommunication System，GTS）和全球數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global Data-Processing and Forecasting System，GDPFS）組成。

近年來，得益于觀測(cè)技術(shù)、電子通信和計(jì)算系統(tǒng)的進(jìn)步，WMO先后發(fā)展了WMO信息系統(tǒng)（WMO Information System，WIS）[1]和WMO綜合觀測(cè)系統(tǒng)（WMO Integrated Global Observing System，WIGOS）[2]，將WWW計(jì)劃中的GOS和GTS進(jìn)行了拓展和升級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)了全球天氣、水、氣候及環(huán)境等信息的綜合觀測(cè)、實(shí)時(shí)收集、高效分發(fā)和數(shù)據(jù)共享。全球、區(qū)域業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的快速發(fā)展為GDPFS構(gòu)建從全球到區(qū)域到國(guó)家層面的級(jí)聯(lián)業(yè)務(wù)體系奠定了基礎(chǔ)[3]，并為其他專業(yè)化服務(wù)提供支撐。20世紀(jì)90年代初期，業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的出現(xiàn)促進(jìn)了傳統(tǒng)單一預(yù)報(bào)向包含不確定性信息的概率預(yù)報(bào)發(fā)展[4]?；诎l(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)值預(yù)報(bào)模式和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，WMO“災(zāi)害性天氣示范項(xiàng)目”（Severe Weather Forecasting Demonstration Project，SWFDP）將全球和區(qū)域的高質(zhì)量預(yù)報(bào)信息進(jìn)行加工，為非洲等發(fā)展中國(guó)家及時(shí)發(fā)布本國(guó)的高影響天氣預(yù)警提供了有效支持[5]。

當(dāng)今社會(huì)全球化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化加速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的用戶需求日益多樣化，氣象研究越來越傾向于將地球系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮[6]，基于影響的預(yù)報(bào)和基于風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警漸成趨勢(shì)[7]，私營(yíng)部門的氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)迅速發(fā)展，這些都促使GDPFS需要適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求進(jìn)行調(diào)整和演進(jìn)。2015年，WMO第十七次世界氣象大會(huì)提出了“綜合無縫隙GDPFS”的發(fā)展方向，即構(gòu)建從分鐘到年代際，從局地到全球的全覆蓋、無縫隙全球數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本文將介紹GDPFS的發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的主要挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)探討和展望無縫隙GDPFS的未來發(fā)展。

1 GDPF?S發(fā)展現(xiàn)狀概述

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，GDPFS已發(fā)展成為在不同層面、不同專業(yè)領(lǐng)域向WMO成員提供天氣、水、氣候、環(huán)境等分析和預(yù)報(bào)產(chǎn)品的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。GDPFS通過全球、區(qū)域、國(guó)家三級(jí)業(yè)務(wù)中心構(gòu)成級(jí)聯(lián)業(yè)務(wù)體系（圖1），包括世界氣象中心、區(qū)域?qū)I(yè)氣象中心和國(guó)家級(jí)氣象中心，主要提供天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)以及相關(guān)專業(yè)產(chǎn)品，例如，臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品、沙塵暴預(yù)報(bào)產(chǎn)品、核應(yīng)急響應(yīng)產(chǎn)品以及空間天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品等。

圖1 全球數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)體系示意圖Fig. 1 Structure of Global Data-Processing and Forecasting System

截至2018年8月，WMO認(rèn)定的GDPFS中心包括：1）9個(gè)世界氣象中心；2）25個(gè)基于地理概念的區(qū)域?qū)I(yè)氣象中心，23個(gè)基本活動(dòng)區(qū)域氣象中心和19個(gè)專業(yè)活動(dòng)區(qū)域氣象中心；3）13個(gè)全球長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中心；4）11個(gè)區(qū)域氣候中心；5）5個(gè)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)牽頭協(xié)調(diào)中心：長(zhǎng)期預(yù)報(bào)檢驗(yàn)中心，多模式集合預(yù)報(bào)中心，確定性數(shù)值天氣預(yù)報(bào)檢驗(yàn)中心；集合預(yù)報(bào)檢驗(yàn)中心和年-年代際氣候預(yù)測(cè)中心。各個(gè)GDPFS中心的分布如圖2所示。2017年，WMO執(zhí)行理事會(huì)第69次界會(huì)批準(zhǔn)了新的《全球資料處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)手冊(cè)》[8]。作為規(guī)范WMO會(huì)員開展業(yè)務(wù)活動(dòng)技術(shù)規(guī)則的唯一指南，新手冊(cè)規(guī)定了GDPFS各類中心的認(rèn)定條件，主要職責(zé)和業(yè)務(wù)活動(dòng)。

圖2 WMO認(rèn)定的全球數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)中心Fig. 2 WMO designated GDPFS centers

GDPFS中心的主要業(yè)務(wù)包括臨近預(yù)報(bào)，全球/區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，全球/區(qū)域集合預(yù)報(bào)，季節(jié)和氣候預(yù)測(cè)、海浪及風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)等。這些業(yè)務(wù)活動(dòng)都離不開數(shù)值預(yù)報(bào)模式這一核心工具。隨著觀測(cè)（特別是雷達(dá)和衛(wèi)星）能力的提高，資料同化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算能力的加強(qiáng)和模式物理過程的改善，1～10 d的中、短期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率近幾十年穩(wěn)步提升，精細(xì)化程度不斷提高。領(lǐng)先的全球數(shù)值天氣模式大約每10年延長(zhǎng)可用預(yù)報(bào)時(shí)效1 d左右[9]。表1簡(jiǎn)要列出了GDPFS世界氣象中心的主要確定性全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的信息?？梢钥闯?，模式的最長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效可達(dá)10～16 d。ECMWF模式的分辨率最高，水平分辨率為9 km，垂直層數(shù)達(dá)137層。

表1 世界氣象中心主要確定性全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)Table 1 Main deterministic global NWP systems of WMCs

對(duì)于月以上到2年時(shí)間尺度的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，全球氣候模式是目前GDPFS長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中心的主要工具。在海氣耦合動(dòng)力模式基礎(chǔ)上，多圈層耦合的高分辨率氣候系統(tǒng)模式已成為發(fā)展趨勢(shì)。目前全球氣候模式對(duì)ENSO的可預(yù)報(bào)時(shí)效在6個(gè)月以上，對(duì)次季節(jié)預(yù)報(bào)主要信號(hào)——大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（MJO）的可預(yù)報(bào)時(shí)效超過兩周[10]。

為解決不確定性問題而提出的集合預(yù)報(bào)，隨著幾十年的實(shí)踐已被實(shí)際業(yè)務(wù)所接受[11]。集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)已成為各國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，包括全球集合預(yù)報(bào)、區(qū)域集合預(yù)報(bào)和對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)。集合預(yù)報(bào)不僅可以提高長(zhǎng)時(shí)效預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性，而且對(duì)極端天氣的早期預(yù)警起到重要作用[12]。

2 面臨的挑戰(zhàn)

過去幾十年，GDPFS已在全球范圍內(nèi)建立起一套向WMO各成員提供天氣、水、氣候、環(huán)境等產(chǎn)品的有效機(jī)制，并通過級(jí)聯(lián)預(yù)報(bào)體系向發(fā)展中國(guó)家會(huì)員提供支持。然而，社會(huì)各界（航空、海事、農(nóng)業(yè)、能源、衛(wèi)生等）對(duì)氣象信息的需求愈加精細(xì)化、個(gè)性化和專業(yè)化，目前GDPFS中心的產(chǎn)品還未能完全滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)各部門的新需求；一些國(guó)家氣象水文部門獲取和利用GDPFS中心產(chǎn)品的能力存在差距；臨近預(yù)報(bào)和次季節(jié)-季節(jié)預(yù)報(bào)能力還需要提高；發(fā)展影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品的非傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)還非常欠缺；GDPFS中心提供數(shù)據(jù)和信息的標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步統(tǒng)一，并且缺乏友好的通用平臺(tái)方便用戶高效地獲取GDPFS的數(shù)據(jù)。

另一方面，進(jìn)入21世紀(jì)以后，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起。從云計(jì)算、人工智能的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新到星載平臺(tái)（公共衛(wèi)星和商業(yè)衛(wèi)星）數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，包括社會(huì)新媒體信息傳播、獲取方式的轉(zhuǎn)變，這些都是改變天氣、氣候、水和環(huán)境等信息收集、制作和分發(fā)傳統(tǒng)“游戲規(guī)則”的元素。此外，一些私營(yíng)部門和科研機(jī)構(gòu)也在積極發(fā)展相關(guān)預(yù)報(bào)和服務(wù)產(chǎn)品。例如，美國(guó)天氣預(yù)報(bào)公司AccuWeather一直與Google公司合作，利用云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)展逐小時(shí)和逐天精細(xì)預(yù)報(bào)[13]。因此，用戶需求、技術(shù)創(chuàng)新和外部競(jìng)爭(zhēng)這三大因素對(duì)GDPFS繼續(xù)發(fā)揮WMO核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的作用提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來了新的機(jī)遇。

3 無縫隙預(yù)報(bào)

為了應(yīng)對(duì)眾多挑戰(zhàn)和滿足未來需求，GDPFS在WMO框架下的發(fā)展和演進(jìn)是當(dāng)務(wù)之急，勢(shì)在必行。發(fā)展無縫隙預(yù)報(bào)是WMO及各國(guó)氣象部門的一大共識(shí)。首次世界天氣開放科學(xué)大會(huì)（WWOSC-2014）的主題就是“地球系統(tǒng)無縫隙預(yù)報(bào)：從分鐘到月”[14]。2017年地球系統(tǒng)科學(xué)家學(xué)會(huì)（YESS）聯(lián)合世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）、世界天氣研究計(jì)劃（WWRP）和全球大氣觀察計(jì)劃（GAW）創(chuàng)建的地球系統(tǒng)科學(xué)前沿白皮書[15]，更是將無縫隙預(yù)報(bào)作為未來幾十年科學(xué)界指導(dǎo)方針的重要指標(biāo)，提出從分鐘級(jí)到世紀(jì)尺度、從米到全球空間尺度的預(yù)報(bào)發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)際上，無縫隙預(yù)報(bào)不僅僅意味著打破天氣和氣候預(yù)測(cè)的界限，而是在天氣、水、氣候、環(huán)境等領(lǐng)域各個(gè)維度上的無縫隙，概括起來體現(xiàn)為三個(gè)方面。

3.1 時(shí)空尺度無縫隙

月際-季節(jié)預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)之間的橋梁，是構(gòu)建無縫隙預(yù)報(bào)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分。2013年，WMO世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）、世界天氣研究計(jì)劃（WWRP）聯(lián)合全球觀測(cè)系統(tǒng)研究與可預(yù)報(bào)性試驗(yàn)（THORPEX）發(fā)起了次季節(jié)-季節(jié)（Sub-Seasonal-to-Seasonal，S2S）預(yù)測(cè)計(jì)劃。該計(jì)劃建設(shè)的S2S數(shù)據(jù)庫(kù)匯集了來自全球11個(gè)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中心制作的次季節(jié)預(yù)報(bào)產(chǎn)品（預(yù)報(bào)時(shí)效長(zhǎng)達(dá)60 d），包括近實(shí)時(shí)集合預(yù)報(bào)和集合再預(yù)報(bào)[16]。

數(shù)值預(yù)報(bào)模式可以實(shí)時(shí)生成大氣狀態(tài)的三維網(wǎng)格預(yù)報(bào)，為無縫隙網(wǎng)格預(yù)報(bào)提供了技術(shù)前提。中國(guó)氣象局自主研發(fā)的全球區(qū)域一體化同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES，經(jīng)過十幾年的努力，在動(dòng)力框架、物理過程和變分同化技術(shù)等方面均取得顯著進(jìn)展[17-18]，并且建立了體系完善的全球預(yù)報(bào)模式、區(qū)域中尺度預(yù)報(bào)模式和集合預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)（表2）。

表2 GRAPES數(shù)值天氣預(yù)報(bào)體系Table 2 GRAPES numerical weather forecast systems

英國(guó)氣象局發(fā)展的統(tǒng)一模式（Unified Model，UM）[17]基于相同的模式框架構(gòu)建了無縫隙預(yù)報(bào)體系，含1.5 km的區(qū)域?qū)α鞒叨饶Ｊ?，幾十千米的氣候模式及上百千米的地球系統(tǒng)模式（圖3）。

3.2 學(xué)科融合無縫隙

圖3 英國(guó)氣象局統(tǒng)一模式無縫隙預(yù)報(bào)體系Fig. 3 Unified Model seamless modeling hierarchy at the Met Office

WMO的S2S計(jì)劃使得天氣和氣候研究更加緊密地結(jié)合并且相互促進(jìn)。另外，科學(xué)研究越來越傾向于將地球系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮。地球作為一個(gè)由多時(shí)、空尺度過程構(gòu)成的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其涉及的學(xué)科領(lǐng)域非常廣泛，不僅涵蓋地球科學(xué)各領(lǐng)域，而且與計(jì)算科學(xué)密切相關(guān)[18]。相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的預(yù)報(bào)服務(wù)也需要?dú)庀笈c水文、海洋、海浪和風(fēng)暴潮、空氣質(zhì)量和沙塵暴、自然資源、能源、旅游、交通等學(xué)科的融合，并且一直延伸到整個(gè)價(jià)值鏈上，包括觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)值模式、預(yù)報(bào)制作、專業(yè)產(chǎn)品、信息發(fā)布、解釋應(yīng)用和用戶的決策。

3.3 影響預(yù)報(bào)無縫隙

每年全球氣象災(zāi)害的影響都會(huì)造成大量傷亡，對(duì)財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施造成極大損害。盡管相關(guān)國(guó)家氣象水文部門已做出了準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和預(yù)警，但與民防和應(yīng)急管理部門及民眾對(duì)災(zāi)害的潛在影響認(rèn)識(shí)之間存在脫節(jié)。例如，2013年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)海燕造成菲律賓超過5000人的傷亡，一大原因是民眾對(duì)風(fēng)暴潮的影響認(rèn)識(shí)不足[19]。為了填補(bǔ)這一縫隙，需要發(fā)展基于影響的預(yù)報(bào)和基于風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警，開展氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估業(yè)務(wù)[20]。

4 無縫隙GDPFS發(fā)展展望

在2016年召開的WMO執(zhí)行理事會(huì)第68次界會(huì)上，提出了未來無縫隙GDPFS的愿景[21]：GDPFS將成為一個(gè)更加高效和適應(yīng)性強(qiáng)的業(yè)務(wù)中心體系，促進(jìn)WMO會(huì)員和合作伙伴幫助用戶做出更明智的決策；GDPFS將通過伙伴關(guān)系和協(xié)作提供基于影響的預(yù)報(bào)和基于風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警；通過以低成本高效益、及時(shí)和靈活的方式共享天氣、水、氣候和相關(guān)環(huán)境資料及產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)這一目的，并惠及所有WMO會(huì)員，進(jìn)一步縮小發(fā)達(dá)國(guó)家會(huì)員和發(fā)展中國(guó)家會(huì)員的能力差距。面向無縫隙GDPFS的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，迎接時(shí)代發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，未來GDPFS的發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面。

1）滾動(dòng)評(píng)估用戶需求。為了能夠滿足社會(huì)各部門行業(yè)的需求，增加用戶對(duì)無縫隙預(yù)報(bào)的理解和認(rèn)同，首先需要開展?jié)L動(dòng)評(píng)估（Rolling Review of Requirements，RRR）活動(dòng)。滾動(dòng)評(píng)估可以通過收集、更新用戶需求，與現(xiàn)有和計(jì)劃中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析評(píng)估在哪些領(lǐng)域還存在空白和差距，為GDPFS確立優(yōu)先重點(diǎn)領(lǐng)域提供指導(dǎo)。

2）科技引領(lǐng)業(yè)務(wù)發(fā)展。開展以滿足用戶需求和應(yīng)用服務(wù)為目的的科學(xué)研究，加強(qiáng)地球系統(tǒng)多圈層、跨學(xué)科的合作研究。利用WIS和WIGOS的先進(jìn)技術(shù)，引入人工智能等創(chuàng)新技術(shù)，協(xié)調(diào)與伙伴組織和私營(yíng)部門的合作，進(jìn)而在無縫隙背景下改進(jìn)所有時(shí)間尺度上的預(yù)報(bào)能力。

3）建立質(zhì)量管理框架。通過質(zhì)量管理（QM）框架建立定期評(píng)價(jià)機(jī)制，確保GDPFS業(yè)務(wù)中心的能力達(dá)到WMO的要求并繼續(xù)提升。面對(duì)來自私營(yíng)部門預(yù)報(bào)服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)，加強(qiáng)對(duì)GDPFS提供的天氣、水、氣候和環(huán)境等相關(guān)產(chǎn)品的檢驗(yàn)，保證信息和服務(wù)的高質(zhì)量、可靠性和一致性，滿足用戶新的和不斷變化的需求。

4） 提升無縫隙預(yù)報(bào)效益。拓展GDPFS的級(jí)聯(lián)預(yù)報(bào)體系的全球覆蓋率，加強(qiáng)天氣、氣候、海洋等預(yù)報(bào)系統(tǒng)的整合，增加互操作性。開發(fā)通用平臺(tái)促進(jìn)用戶便捷地獲取無縫隙預(yù)報(bào)信息和產(chǎn)品。將影響數(shù)據(jù)（如暴露度和脆弱性）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、地理等信息納入GDPFS，不僅提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，而且還應(yīng)該考慮將預(yù)報(bào)不確定性信息有效傳達(dá)給用戶，不是簡(jiǎn)單地提供“最佳預(yù)報(bào)”，而是支持用戶做出“最佳決定”。

5 結(jié)論

過去幾十年，GDPFS作為WMO框架下的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，協(xié)同WIGOS和WIS為WMO成員提供天氣、水、氣候、環(huán)境等信息和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，為防災(zāi)減災(zāi)和可持續(xù)發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。

為了應(yīng)對(duì)來自用戶需求、技術(shù)創(chuàng)新和外部環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，未來GDPFS將朝著“綜合無縫隙GDPFS”的方向發(fā)展，即構(gòu)建從分鐘到年代際，從局地到全球的無縫隙全球數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。可以預(yù)見，無縫隙GDPFS的發(fā)展和實(shí)施將對(duì)WMO成員國(guó)和社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域帶來巨大益處和廣泛的影響，主要體現(xiàn)在：1）更高質(zhì)量的天氣、水、氣候、環(huán)境等信息和產(chǎn)品可以促進(jìn)用戶做出更明智的決策，降低各種災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及其潛在影響；2）促使國(guó)家氣象水文部門能夠以更加集約的方式高效地獲取分析和預(yù)報(bào)信息，有利于為終端用戶服務(wù)增加附加值；3）為WMO成員提供應(yīng)用大數(shù)據(jù)信息的工具和技術(shù)，提升國(guó)家氣象水文部門的日常業(yè)務(wù)的自動(dòng)化和智能化水平；4）促進(jìn)觀測(cè)新技術(shù)、科學(xué)研究新成果向業(yè)務(wù)和服務(wù)端的轉(zhuǎn)化，以滿足用戶的各種需求。