UFS：即將登場(chǎng)的美國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的芯片詮釋“統(tǒng)一”理念

■ 賈朋群 張萌

2022年初召開(kāi)的美國(guó)氣象學(xué)會(huì)（AMS）第102屆年會(huì)上，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Unified Forecast System，UFS）成為多個(gè)分會(huì)場(chǎng)最熱的主題之一。簡(jiǎn)要回顧UFS不長(zhǎng)的歷史，一些新理念的提出，折射出已經(jīng)開(kāi)始并在未來(lái)將不斷強(qiáng)化的圍繞被稱為國(guó)家芯片的氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的新維度。

2014年UFS的概念最早在美國(guó)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)作為美國(guó)下一代預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NGGPS）的組成部分，意在統(tǒng)一預(yù)報(bào)在“應(yīng)用”層面上的編碼和基礎(chǔ)設(shè)施，讓系統(tǒng)的編碼走向開(kāi)放和社區(qū)化。然而，此時(shí)因?yàn)镹GGPS僅僅是NOAA，甚至具體到NWS（國(guó)家氣象局），所用的開(kāi)發(fā)、社區(qū)等，在意境上更多瞄準(zhǔn)從NWS到NOAA的擴(kuò)大。

2017年美國(guó)聯(lián)邦政府通過(guò)的《天氣研究和創(chuàng)新法》，帶來(lái)了NOAA創(chuàng)新必須汲取更廣泛資源的氛圍。就在該法案出臺(tái)前一年AMS的一次會(huì)議上，來(lái)自企業(yè)、高校和NOAA的學(xué)者在一張餐巾紙上勾畫(huà)出的EPIC（Earth Prediction Innovation Center，地球預(yù)報(bào)創(chuàng)新中心）和擴(kuò)大到更廣泛社區(qū)的UFS呼之欲出（圖1）。

圖1 在AMS的一次會(huì)上，來(lái)自企業(yè)、高校和NOAA的幾位學(xué)者在一張餐巾紙上勾勒出的EPIC和UFS框架（來(lái)源：https://doi.org/10.1175/BAMS-D-21-0030.1）

國(guó)家立法和業(yè)務(wù)、高校及企業(yè)三方學(xué)者通過(guò)頭腦風(fēng)暴的策劃，很快讓UFS“統(tǒng)一”的成色升級(jí)。其中，最具意義的是同樣在NGGPS資助下，由NOAA主導(dǎo)的全球模式試驗(yàn)平臺(tái)（GMTB）開(kāi)發(fā)的CCPP（Common Community Physics Package，通用物理包），在2018年前一直是在NOAA內(nèi)部開(kāi)發(fā)。2019年，NOAA和NCAR達(dá)成協(xié)議，合作開(kāi)發(fā)CCPP框架（CCPP-Framework），作為兩家統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)（UFS）和大氣集成模式系統(tǒng)（SIMA）的一部分。而且，CCPP作為UFS重要的工具和編程接口，其升級(jí)和開(kāi)源代碼一直通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)托管平臺(tái)GitHub自由分發(fā)。這時(shí)，UFS概念中的“統(tǒng)一”真正在至少整個(gè)美國(guó)學(xué)界落地，UFS也開(kāi)始步NCAR開(kāi)發(fā)著名的WRF模式的機(jī)制，以“眾籌”方式面向創(chuàng)新者而“不問(wèn)西東”，UFS的官方網(wǎng)頁(yè)https://ufscommunity.org也徹底獨(dú)立化成為真正的“第三方”。

UFS項(xiàng)目的實(shí)施，還為NOAA預(yù)報(bào)系統(tǒng)（即GFS模式）走上軟件工程意義上有序管理帶來(lái)機(jī)會(huì)。伴隨UFS開(kāi)放式的發(fā)展進(jìn)程，GFS需要實(shí)施代碼重構(gòu)，并且制定完善和用戶友好的文檔以方便外部的介入。這對(duì)于最早在1970年代后期開(kāi)始編程的GFS，意義或許也是重大的。甚至很多NOAA內(nèi)部人員，都認(rèn)為數(shù)代研發(fā)人員、以百萬(wàn)計(jì)程序語(yǔ)句組成的GFS，猶如一個(gè)復(fù)雜的拼圖迷宮（jigsaw puzzle），加上開(kāi)發(fā)一直在內(nèi)部進(jìn)行，不僅程序僅僅適用于氣象部門(mén)內(nèi)部硬件而無(wú)法在其他計(jì)算系統(tǒng)上運(yùn)行，就連各種技術(shù)手冊(cè)等輔助材料也基本缺失。

可以期待，基于UFS的新版本GFS，其效益包括但不限于：強(qiáng)化了公司氣象編程人員之間的合作；模式在氣象企業(yè)有了更多的開(kāi)展定制服務(wù)的機(jī)會(huì)；預(yù)報(bào)模式衍生產(chǎn)品和后端增值更加順暢和有效；與計(jì)算硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的GFS編碼保持價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力；最后，也是最重要的，UFS帶來(lái)NOAA模式開(kāi)放范式的轉(zhuǎn)變：“眾籌”讓模式研發(fā)走得更遠(yuǎn)的同時(shí)，也為業(yè)務(wù)模式越做越強(qiáng)帶來(lái)了機(jī)會(huì)（圖2）。

圖2 在UFS研發(fā)環(huán)境和流程中，前部更多共享激活了更多參與者，而在選擇投入業(yè)務(wù)的一系列測(cè)試和不斷反復(fù)的改進(jìn)過(guò)程，成為更高水平業(yè)務(wù)模式的造血機(jī)制（來(lái)源：UFS Quarterly, July to December 2021）