鑄劍十年，步入氣象事業(yè)“芯”時代

數(shù)值天氣預報是基于大氣運動規(guī)律的、由當前科學預測未來的數(shù)值模型，是基于數(shù)學物理學方法客觀定量計算未來天氣演變的科學。數(shù)值預報是大氣科學的“數(shù)字實驗室”，是天氣預報的根本方法。

2020年是中國氣象局數(shù)值預報中心成立10周年。10年的時間，我國數(shù)值預報不但實現(xiàn)了自主研發(fā)、應用、改進、發(fā)展的良性循環(huán)，全面建立了國家級數(shù)值天氣預報業(yè)務體系和實現(xiàn)應用服務，還形成了一支高素質(zhì)、穩(wěn)定、全技術鏈條的研發(fā)和業(yè)務應用隊伍。

中國工程院院士許健民表示，數(shù)值天氣預報在一定程度上反映了一個國家的綜合科技實力和水平。發(fā)展數(shù)值預報模式，是氣象工作中最重要、最光榮、最有挑戰(zhàn)性、最艱辛的任務。

十年磨一劍 堅定中國“智造”

數(shù)值預報作為氣象業(yè)務的核心科技，不僅關系我國氣象事業(yè)發(fā)展，更是保障國計民生和國防安全的國家核心科技的重要組成部分。因數(shù)值預報突出的重要性，以及研發(fā)難度之大、涉及領域之廣，數(shù)值預報也被譽為氣象事業(yè)的“芯片”。

2010年，數(shù)值預報中心團隊開始艱難攻關，GRAPES全球模式和同化的深化改進工作全面開展。

2013年，數(shù)值預報創(chuàng)新團隊入選科技部“創(chuàng)新人才推進計劃重點領域創(chuàng)新團隊”。

2014年，高分辨率資料同化與數(shù)值天氣模式被確定為國家氣象科技創(chuàng)新工程三大攻關任務之一。

2016年，GRAPES全球預報系統(tǒng)正式業(yè)務化運行并面向全國下發(fā)產(chǎn)品，這是我國數(shù)值預報核心技術實現(xiàn)國產(chǎn)化的重要標志，也宣告我國從全球預報到區(qū)域高分辨率預報核心技術擺脫了受制于人的局面。

2018年7月，帶有四維變分同化系統(tǒng)的GRAPES全球預報系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務運行，標志著我國業(yè)務數(shù)值天氣預報同化技術邁入國際前列，成為國際上少數(shù)具有自主研發(fā)和業(yè)務應用四維變分同化系統(tǒng)的國家級預報中心之一。

同年12月，完整的數(shù)值天氣預報體系建成，標志著我國建成了以自主研發(fā)的GRAPES為核心的全球、區(qū)域確定性和集合預報系統(tǒng)。

國家氣象中心主任王建捷感嘆：“十年不懈努力，我國數(shù)值預報業(yè)務發(fā)展方式完成了從引進為主到自主研發(fā)為主的重大轉(zhuǎn)變，建成了高低分辨率搭配適當、確定性和集合預報有機結(jié)合的完整自主技術的數(shù)值天氣預報體系?！?/p>

實現(xiàn)數(shù)值預報業(yè)務全鏈條應用

“現(xiàn)在我們的數(shù)值預報最核心的技術可以說都是made in china?！敝袊鴼庀缶謹?shù)值預報中心副主任龔建東告訴《中國科學報》，“從2010年到2020年，我們的GRAPES全球數(shù)值預報可用時效從6天提高到7.5天，快于國際上先進中心同期發(fā)展速度?！?/p>

龔建東介紹，建立完整數(shù)值預報體系的同時，數(shù)值預報中心還發(fā)展了包括檢驗技術、診斷技術、業(yè)務化應用能力、產(chǎn)品對外服務支撐能力的完整鏈條，多方位縮小了與國際先進業(yè)務數(shù)值預報中心的差距。“雖然開始時間晚、基礎差，但GRAPES的成績單足夠優(yōu)秀”。

2019年7月，GRAPES區(qū)域模式實現(xiàn)全國范圍3公里分辨率業(yè)務化運行，為全國各地開展局地強對流、極端天氣預報預警工作提供重要支撐。次月，9公里分辨率GRAPES臺風預報系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務運行，“首戰(zhàn)”即成功應對超強臺風“利奇馬”。

在對“利奇馬”的路徑捕捉和預報中，風云四號A星與GRAPES數(shù)值預報隔空星-地互動，彼此成就。

數(shù)值預報中心團隊采用GRAPES全球切線性與伴隨模式，確定未來48小時影響我國東部區(qū)域預報的觀測敏感區(qū)，設定目標觀測區(qū)范圍，并會同國家衛(wèi)星氣象中心相關團隊，確定目標觀測區(qū)。隨后，風云四號A星調(diào)整觀測方式，加密觀測得到的資料，又經(jīng)過GRAPES全球四維變分同化系統(tǒng)同化應用，有效改善模式的初始場，最終提高臺風路徑及強度預報的水平。

秉承工匠精神

中國氣象局數(shù)值預報中心模式研發(fā)室主任孫健坦言，這一系列動作只是國家級數(shù)值預報業(yè)務體系面對復雜天氣過程的一次實踐?！案咝в行虻膽獙ε浜铣诵枰萍及l(fā)展進步，更離不開人才的成長與隊伍的建設”。

依靠自主研發(fā)建成一套完整的數(shù)值天氣預報業(yè)務技術體系，我國數(shù)值預報不但實現(xiàn)了自主研發(fā)、應用、改進、發(fā)展的良性循環(huán)，全面建立了國家級數(shù)值天氣預報業(yè)務體系和實現(xiàn)應用服務，還形成了一支高素質(zhì)、穩(wěn)定、全技術鏈條的研發(fā)和業(yè)務應用隊伍。

從20世紀80年代初正式成立數(shù)值天氣預報業(yè)務單位算起，至今已近40年。國家最高科學技術獎獲得者、中國科學院院士曾慶存表示，中國氣象人克服了從基礎設備到模式發(fā)展到業(yè)務化的重重困難，再經(jīng)數(shù)值預報中心成立后這10年來的飛躍進步，終于有了我國自主的可為全國和全世界服務的數(shù)值天氣預報業(yè)務系統(tǒng)，是中國成為世界氣象中心的主要科技支撐。

談到今后數(shù)值模式的發(fā)展方向，曾慶存說，數(shù)值天氣預報，是理論，是科技，甚至是工藝，必須要靜心努力鉆研。首先，它是基于數(shù)學物理理論，有一般性規(guī)律，要努力打好這個數(shù)理基礎，但至今關于云的刻畫、降雨過程和許多中尺度以及災害過程的機理，尚未有很好的理論解決，須要勤以探索創(chuàng)新。其次，天氣又是發(fā)生于千差萬別的復雜環(huán)境之中，且以具有各種各樣誤差的各種觀測資料為初始條件，具體情況不同，又有其特殊性，要秉承“繡花工匠”的精神進行細心的分析和巧妙的處理，才能有效解決。“今后數(shù)值天氣預報的發(fā)展，一般性和特殊性兩方面要兼顧，缺一不可?！痹鴳c存表示。