建立我國數(shù)值預(yù)報同化診斷系統(tǒng)的行動方案頂層設(shè)計

朱國富

（中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心，北京 100081）

0 引言

數(shù)值天氣預(yù)報已成為公認(rèn)的現(xiàn)代氣象事業(yè)及其發(fā)展的最核心的科技。資料同化是數(shù)值天氣預(yù)報的一個主要組成部件，它基于統(tǒng)計最優(yōu)估計方法產(chǎn)生大氣狀態(tài)的最優(yōu)估計，來提供預(yù)報模式的盡可能準(zhǔn)確的初始條件。更精確的資料同化方法的使用，諸如“四維變分同化方法”和“同化系統(tǒng)誤差參數(shù)設(shè)定的優(yōu)化改進(jìn)”這些主要科學(xué)進(jìn)展，連同“可利用觀測資料的大量增加”，使得預(yù)報模式的初始條件得以改善，真正帶來了數(shù)值預(yù)報性能的顯著提高[1]。

歷經(jīng)多年，數(shù)值天氣預(yù)報中資料同化系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成非常復(fù)雜的系統(tǒng)?，F(xiàn)在的同化系統(tǒng)要處理非常廣泛的空基、地基多種來源的氣象觀測數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與大氣狀態(tài)的先驗(yàn)信息結(jié)合起來，并使用綜合復(fù)雜的預(yù)報模式線性化模型進(jìn)行四維資料同化以確保觀測信息得到與模式動力一致的傳播和吸納。對如此復(fù)雜的系統(tǒng)，進(jìn)行有效和協(xié)調(diào)的診斷是必要的，例如，僅就被同化的觀測數(shù)量，近幾十年來呈“指數(shù)級”增長，未來還將繼續(xù)增長；這需要基本的診斷工具進(jìn)行一整套日常例行的觀測信息監(jiān)控來保障正常的信息輸入，并需要復(fù)雜先進(jìn)的診斷工具評估數(shù)據(jù)質(zhì)量和信息冗余，以便對最有希望的觀測進(jìn)行優(yōu)先排序處理。同化診斷中觀測信息監(jiān)控的一個經(jīng)典例子是，利用1981年月平均資料，歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）同化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在距離開普敦東南2300 km的一個南印度洋孤島（南非Marion Island）上，背景風(fēng)和觀測報告風(fēng)之間平均有10°～12°的系統(tǒng)性差異。對此進(jìn)行的一項調(diào)查顯示，多年前安裝計算風(fēng)向的軟件時，指定的風(fēng)向參考是磁北極，而不是地理北極！之后ECMWF在1982年開啟了一個業(yè)務(wù)和研究部門間的重點(diǎn)合作研究項目，發(fā)現(xiàn)一些觀測平臺在持續(xù)地發(fā)送不正確的天氣報告，甚至有些簡直不按照約定標(biāo)準(zhǔn)編寫數(shù)據(jù)代碼！1985年，ECMWF被世界氣象組織（WMO）指定為監(jiān)測全球高空資料的領(lǐng)導(dǎo)中心[2]。這是ECMWF之所以成為領(lǐng)導(dǎo)中心地位的一個具體經(jīng)歷?？梢?，也正是源自觀測信息監(jiān)控，可以理解對分析場產(chǎn)生有害影響的觀測黑名單是作為基礎(chǔ)一環(huán)的質(zhì)量控制方式。

診斷一直是ECMWF研究和開發(fā)的一個活躍領(lǐng)域。而且，數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的診斷是ECMWF總體戰(zhàn)略所必需的組成部分：面向ECMWF發(fā)展“從此處向何處去”，一個診斷戰(zhàn)略是必不可少的[3]。

診斷工作不僅僅是獲得一個總體了解，因?yàn)樵\斷是面向數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)及其組成部分，所有的研究人員都需要在自己的特定領(lǐng)域中制作相應(yīng)的詳盡診斷。另一方面，隨著數(shù)值預(yù)報的發(fā)展，不可避免地，制作出預(yù)報的所有環(huán)節(jié)任務(wù)更加細(xì)分化和專門化。正是如此，提出了一個問題：未來我們是否需要加強(qiáng)跨傳統(tǒng)部門界線的溝通、協(xié)調(diào)和協(xié)作。面對這一問題，2010年ECMWF成立了“診斷工作組”（WGD：Working Group on Diagnostics），并作為WGD的第一個主要成果撰寫出技術(shù)報告“診斷研究進(jìn)展”（Developments in diagnostics research）[3]。這份報告為考慮一般意義的診斷策略提供了借鑒，并為從無到有地開展常態(tài)化同化系統(tǒng)診斷工作提供了參考，包括診斷的要義、診斷工作定位的角色作用及其實(shí)現(xiàn)途徑或方式、診斷工作內(nèi)容的框架等基本方面，例如數(shù)值預(yù)報的診斷框架（圖1）。

從圖1可以一般地描述數(shù)值預(yù)報意義上診斷工作的目的：深入動力框架、物理過程、資料同化各個組成部分，通過識別系統(tǒng)的缺陷、減小各環(huán)節(jié)的偏差、改進(jìn)物理過程不確定性和觀測不確定性的描述等工作，來識別、調(diào)查和理解數(shù)值模式系統(tǒng)的預(yù)報性能問題和模式氣候狀態(tài)，以助力數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)；并在所涉及的工作中將研究和業(yè)務(wù)的各個部門聯(lián)合起來。

后來ECMWF的診斷工作[4]，其目的不變。診斷工作的發(fā)展體現(xiàn)在以下方面：診斷的施展空間面向預(yù)報系統(tǒng)在“所有預(yù)報時效”敏銳度和可靠性的改進(jìn)；診斷以“極端天氣預(yù)報”為目標(biāo)；與診斷關(guān)聯(lián)的互動超越ECMWF內(nèi)部的研究和業(yè)務(wù)各部門而擴(kuò)大到ECMWF成員國之間。而且，預(yù)報系統(tǒng)（以及觀測）的準(zhǔn)確性不斷提高，意味著誤差比以往任何時候都要小，需要發(fā)展更精確的診斷工具來量化這些誤差。

本文將面向中國氣象局（CMA）四維變分同化系統(tǒng)自主研發(fā)的現(xiàn)實(shí)狀況和發(fā)展需求，思考國際上氣象數(shù)值預(yù)報先進(jìn)業(yè)務(wù)中心的相關(guān)工作，結(jié)合在CMA同化系統(tǒng)自主研發(fā)實(shí)踐中的理解，形成建立CMA常態(tài)化同化診斷系統(tǒng)的頂層設(shè)計，旨在初步形成一套日常例行的同化診斷能力。

1 ECMWF診斷工作的啟示

1.1 診斷的要義（是客觀要求的“問題導(dǎo)向”，不是主觀的“找事情”；是“理解”，不是“較真”）

對于不同工作和人群的視角，“診斷”看似有不同的解釋，但所有的解釋都體現(xiàn)了“理解”這一概念。像ECMWF這樣的業(yè)務(wù)預(yù)報中心的診斷工作屬于“對（預(yù)報系統(tǒng)）誤差的診斷”（diagnosis of error），是調(diào)查、發(fā)現(xiàn)和理解數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)中觀測、分析或預(yù)報各環(huán)節(jié)的誤差，進(jìn)而解決問題來推動數(shù)值預(yù)報的發(fā)展。ECMWF診斷工作組從成立之初的2010年到2019年，盡管具體的診斷工作和診斷工具有了發(fā)展更新，但不變的是診斷要義：理解[2-3]。這對開展診斷工作的啟示是：數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的診斷是通過“問題導(dǎo)向”來調(diào)查研究制作出預(yù)報的各環(huán)節(jié)的誤差，和通過“理解”來推動數(shù)值預(yù)報的發(fā)展，也就是它“基于問題、歸于理解和終于協(xié)作”來解決問題。

事實(shí)上，這對于我國CMA數(shù)值模式的自主研發(fā)更有著現(xiàn)實(shí)意義。自主研發(fā)基于理解，理解是科技自主自強(qiáng)的首要要求，是氣象核心科技數(shù)值預(yù)報高質(zhì)量發(fā)展的前提條件，不追求理解的自主研發(fā)是不可思議的。注重理解也是科學(xué)家精神的基本內(nèi)涵。

1.2 認(rèn)識診斷工作的出發(fā)點(diǎn)（首要在“前端”和“基本”）

在ECMWF最初成立的診斷工作組的診斷研究進(jìn)展[3]中，觀測信息監(jiān)控（Observation monitoring）是ECMWF診斷系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分；其中的許多診斷是基于觀測空間下背景場（B）和分析場（A）與觀測（O）的離差，即所謂的（O－B）和（O－A）。對于再分析的診斷，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)的時間一致性。ECMWF集合預(yù)報系統(tǒng)的診斷集中關(guān)注“集合離散度和集合平均誤差之間的不一致性”如何與“初始條件和預(yù)報模式中不確定性原因的描述缺陷”關(guān)聯(lián)起來。從中我們能聯(lián)系到其中內(nèi)在的原因和事實(shí)：

1）對于觀測信息監(jiān)控，許多診斷基于（O－B）和（O－A）。這是因?yàn)閷Γ∣－B）和（O－A）進(jìn)行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計為觀測、同化或預(yù)報等方面的特征描述提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，而且其中的（O－B）（稱作“新息”（innovation））是同化系統(tǒng)的基本輸入，是用來更新背景場而得到分析場的、用作訂正的新信息；如果基本輸入錯誤，則直接對分析場產(chǎn)生有害影響，如引言中的觀測信息監(jiān)控的一個經(jīng)典例子[2]。

2）對于再分析，它是基于觀測、同化、預(yù)報三個串聯(lián)方面的先進(jìn)性和一致性來得到先進(jìn)的穩(wěn)定一致的長時間序列格點(diǎn)資料。其中觀測數(shù)據(jù)的時間一致性不僅處在這個串聯(lián)鏈條的最前端，而且是再分析的關(guān)鍵性重點(diǎn)；因?yàn)樵俜治鍪腔谑褂卯?dāng)下最先進(jìn)的業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)和預(yù)報模式系統(tǒng)而制作出來的，這樣再分析中同化和預(yù)報這兩個方面的先進(jìn)性和一致性而自然得到了保障。

3）對于集合預(yù)報，評估集合預(yù)報可靠性的一個通用診斷是集合離散度和集合平均誤差之間的關(guān)系[5]?！案怕暑A(yù)報崩潰”被定義為當(dāng)集合離散度很小、但集合平均誤差很大時發(fā)生的情況。因此集合離散度和集合平均誤差是集合預(yù)報診斷中必需首要考慮的“基本所在”。

這些對我們開展診斷工作的啟示是：診斷工作首要和首先從“鏈條前端”和“基本所在”開始。為此，需要在認(rèn)知上理解清楚“哪些是基本的”和在實(shí)施上考慮哪些是“現(xiàn)在能做的”和“客觀上必須做的”。

1.3 診斷工作的架構(gòu)和范圍（所有環(huán)節(jié)及其組成部分）

數(shù)值預(yù)報的步驟過程表現(xiàn)為：通過資料同化方法得到分析場，由它作為預(yù)報模式的初值；然后積分預(yù)報模式到未來某一時刻，便得到該時刻的預(yù)報場。相應(yīng)地，數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)有兩個主要組成部分：初值形成的資料同化系統(tǒng)和時間積分的預(yù)報模式系統(tǒng)。資料同化系統(tǒng)包含引入各類觀測的若干觀測算子和作用于每一個觀測來傳播觀測信息的一個核心框架；預(yù)報模式系統(tǒng)包含一個動力框架和若干物理過程。通常地，預(yù)報模式動力框架是指預(yù)報模式方程的絕熱、無摩擦的網(wǎng)格尺度動力過程，各個模式物理過程是指不同的源、匯項或不同的次網(wǎng)格尺度物理過程（如深/淺對流過程、輻射過程、大氣邊界層過程和陸面過程）。

診斷是面向數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)及其組成部分。因此，數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)診斷工作的架構(gòu)包括資料同化診斷和預(yù)報模式診斷兩個部分。預(yù)報模式的診斷范圍包括動力框架診斷和各個物理過程診斷。

因?yàn)橘Y料同化是上接各類觀測、下連預(yù)報模式的一個綜采工作面（coal-face），因此它的診斷范圍是巨大的，而且隨著觀測日益增加在不斷增長擴(kuò)大。資料同化的診斷范圍包括面向觀測（O）的觀測信息監(jiān)控、面向（O－B）和（O－A）統(tǒng)計特征描述的診斷及其觀測質(zhì)量的監(jiān)測和評估、面向得到分析場之求解過程的監(jiān)控和分析、面向同化系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的誤差參數(shù)的診斷、面向分析場（A）的觀測對分析的敏感性評估、面向模式預(yù)報效果的觀測對預(yù)報質(zhì)量的影響評估等。

1.4 診斷工作組的角色定位（把各個部門聯(lián)合起來，加強(qiáng)跨部門的“交流”“協(xié)調(diào)”和“協(xié)作”）

隨著數(shù)值預(yù)報的發(fā)展，生產(chǎn)出預(yù)報的所有環(huán)節(jié)任務(wù)更加細(xì)分化和專門化；同時，把各個部門聯(lián)合起來的作用（the unifying role）又隨之日益變得越來越重要。正是在這個背景下，ECMWF成立了診斷工作組（WGD），來加強(qiáng)跨部門的交流、協(xié)調(diào)和合作[3]。WGD的第一個任務(wù)就是明確界定這些角色作用：

1）合作課題的監(jiān)督（the over-sight of collaborative projects）。一些很好的例子如：現(xiàn)有同化或預(yù)報問題需要協(xié)作開展的診斷；預(yù)報系統(tǒng)升級時所需的各環(huán)節(jié)診斷評估；改善災(zāi)害性天氣預(yù)報的交叉性診斷課題（涉及該類天氣的識別方法，預(yù)報系統(tǒng)對其預(yù)報能力相關(guān)的所用資料的同化和關(guān)鍵物理過程的描述等評估，集合預(yù)報系統(tǒng)是否能夠足夠地表示其發(fā)生的可能性等調(diào)查研究）。除了這些明確主題的合作課題，還可能從中產(chǎn)生未來的診斷領(lǐng)域或開發(fā)新的診斷工具。

2）診斷工具研發(fā)的戰(zhàn)略協(xié)調(diào)（the strategic coordination of diagnostic developments）。包括：共同感興趣的新診斷工具的研發(fā)，如對于物理過程診斷工具的研發(fā)，因?yàn)槲磥黼S著模式變得更好，物理過程的改換對模式氣候的影響應(yīng)該會更小并需要更精確的診斷工具，以及物理過程數(shù)量的增加大大增加了相互作用的范圍，這些因素都要求新診斷工具的研發(fā)及相關(guān)環(huán)節(jié)的研發(fā)協(xié)作；使現(xiàn)有診斷工具得到更廣泛應(yīng)用的戰(zhàn)略協(xié)同，如診斷工具的通用腳本語言的使用和更廣泛可操作的界面接口，以及診斷工具的持續(xù)維護(hù)和文檔化；需要確保診斷在計算和存儲資源方面得到滿足。

正是通過這些角色作用，ECMWF診斷工作組利用診斷研究，理解業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報的優(yōu)勢與不足，發(fā)現(xiàn)問題并研討確定解決問題的方案，確立了它在模式進(jìn)展中的中心地位，推動數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)多年來取得了許多重要的進(jìn)展[6]。

這些對我們開展診斷工作的啟示是：把各個部門聯(lián)合起來的“融合發(fā)展”是診斷工作組的工作屬性；“能協(xié)作得起來”的客觀要求是數(shù)據(jù)存取格式和圖表繪制顯示的通用性、共用性，而且特別是高度的靈活性，因?yàn)樗鼈兪窃\斷工作的基礎(chǔ)性支撐：診斷中為了發(fā)現(xiàn)、分析問題，需要大量的數(shù)據(jù)和圖表，來以此為基礎(chǔ)進(jìn)行各種各樣的對照比較和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

上述合作、協(xié)調(diào)和交流的角色作用對我們建立診斷工作組以及如何發(fā)揮作用和從無到有地開展診斷工作提供了直接參考。事實(shí)上，在ECMWF專家的一直關(guān)注下[6]，中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心的一個實(shí)體診斷小組已經(jīng)成立；ECMWF專家還建議：應(yīng)該考慮制定一項戰(zhàn)略來確定診斷小組的主要優(yōu)先任務(wù)，包括建立一整套日常例行的診斷，旨在監(jiān)測和指導(dǎo)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的改進(jìn)。

2 CMA常態(tài)化同化診斷系統(tǒng)的頂層設(shè)計

CMA同化系統(tǒng)采用四維變分同化方案。變分同化方法是大氣狀態(tài)的后驗(yàn)概率最大時取眾數(shù)的統(tǒng)計最優(yōu)估計方法；導(dǎo)出變分同化目標(biāo)泛函的一個基本假定是“觀測和背景場的誤差無偏且為正態(tài)分布”。CMA四維變分同化系統(tǒng)在業(yè)務(wù)實(shí)施上利用一種增量方法[7]，考慮內(nèi)外循環(huán)，進(jìn)行目標(biāo)泛函的極小化迭代數(shù)值求解，來減少計算開銷。

CMA同化診斷系統(tǒng)面向CMA同化系統(tǒng)的各個組成部分和業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)研發(fā)的環(huán)節(jié)步驟，理清“現(xiàn)在能做的”和“客觀上必須做的”基本所在，以程序流的全過程和業(yè)務(wù)研發(fā)的內(nèi)在邏輯進(jìn)行頂層設(shè)計。

2.1 同化診斷的總體架構(gòu)

首先理清楚任一同化系統(tǒng)運(yùn)行的組成部分和業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)研發(fā)的基本環(huán)節(jié)步驟：

1）同化系統(tǒng)中的程序流表現(xiàn)為觀測輸入、求解過程和結(jié)果輸出。

2）現(xiàn)行的先進(jìn)同化方法都屬于統(tǒng)計最優(yōu)估計方法，因?yàn)樗鼈兓跀?shù)據(jù)誤差是高斯分布等假定，所以都存在預(yù)先設(shè)定的參數(shù)；對于一個業(yè)務(wù)的同化系統(tǒng)，在其建立之后，不論是必需的不斷優(yōu)化改進(jìn)，還是要考慮系統(tǒng)中參數(shù)的季節(jié)變化，都首先是需要診斷預(yù)先設(shè)定的參數(shù)是否合適。

3）對于不斷涌現(xiàn)和更替的新資料，是否能進(jìn)入業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，必需對新資料的準(zhǔn)入進(jìn)行診斷評估；面向觀測—預(yù)報交互式數(shù)值預(yù)報，需要診斷評估觀測對分析或預(yù)報的敏感性影響。這些都是基于同化系統(tǒng)的診斷。

1.1.3 CKD-MBD診斷標(biāo)準(zhǔn) 參照2013年中華醫(yī)學(xué)會腎臟病學(xué)分會頒布《慢性腎臟病礦物質(zhì)和骨異常診治指導(dǎo)》［8］擬定：（1）血清鈣（Ca）、磷（P）、甲狀旁腺激素（iPTH）或維生素D代謝異常；（2）骨轉(zhuǎn)化、礦化、骨量、骨線性生長或骨強(qiáng)度異常；（3）血管或其他軟組織鈣化。符合以上三點(diǎn)之一即可診斷為CKD-MBD。

由此按照同化系統(tǒng)的程序流和業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)研發(fā)的內(nèi)在邏輯，形成同化診斷的總體架構(gòu)：

1）利用同化系統(tǒng)的“輸入信息”進(jìn)行診斷。

2）利用變分同化的“執(zhí)行過程”進(jìn)行診斷。

3）利用同化系統(tǒng)的“輸出結(jié)果”進(jìn)行診斷。

4）面向業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)研發(fā)精雕細(xì)刻的“參數(shù)優(yōu)化”進(jìn)行診斷。

5）面向業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)的新觀測資料準(zhǔn)入進(jìn)行診斷評估。

這些在一起能夠初步形成一套日常例行的同化診斷能力。

2.2 同化診斷的內(nèi)容及其途徑和作用

2.2.1 輸入信息的診斷

這在內(nèi)容上屬于觀測信息監(jiān)控。觀測信息監(jiān)控處在整個數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)診斷的前端，也是ECMWF診斷系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分。

觀測信息監(jiān)控包含了觀測資料計數(shù)及其空間分布的監(jiān)控和輸入信息的診斷。資料計數(shù)包括到報的資料數(shù)、被篩除的資料數(shù)、被同化的資料數(shù)，空間分布包括各類觀測的總體和不同層（或通道）的空間分布。輸入信息的許多診斷是基于觀測空間下（O－B），如它的統(tǒng)計特征描述，包括均值、均方差、偏差訂正、頻數(shù)分布（對應(yīng)概率密度分布PDF）等。利用（O－B）的信息，在了解數(shù)據(jù)、認(rèn)識數(shù)據(jù)上有諸如以下的許多作用：

1）用來監(jiān)控資料同化中觀測亦或背景場的誤差是否無偏和正態(tài)分布，以及監(jiān)控觀測資料處理的偏差訂正。

2）它的時序資料可用來監(jiān)控觀測資料的時間穩(wěn)定性、質(zhì)量控制有效性和觀測質(zhì)量，確保只有始終如一好質(zhì)量的資料在業(yè)務(wù)中被同化使用。

3）利用它和其他觀測進(jìn)行比較，來監(jiān)控觀測的質(zhì)量。

事實(shí)上，觀測空間下（O－B）和（O－A）數(shù)據(jù)統(tǒng)計為觀測、同化或預(yù)報等方面的特征描述提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，許多診斷是基于此，因?yàn)椋∣－B）和（O－A）的監(jiān)控對資料同化過程的上、下游都發(fā)揮作用，除了上面的作用，如對上游：用于同化系統(tǒng)中誤差參數(shù)的預(yù)先設(shè)定即下面2.2.4節(jié)“參數(shù)優(yōu)化的診斷”；如對下游：當(dāng)不同觀測都一致發(fā)現(xiàn)（O－B）的系統(tǒng)性的非零值時可突顯出預(yù)報模式問題。

2.2.2 執(zhí)行過程的診斷

這是面向得到分析場的求解過程進(jìn)行的診斷。極小化求解迭代是否收斂和收斂程度，分析值受其直接影響。所以一個基本的方面是需要通過極小化的迭代步數(shù)、目標(biāo)泛函值下降率、目標(biāo)泛函梯度下降程度等的監(jiān)控和分析，來診斷目標(biāo)泛函求解的收斂情況。

2.2.3 輸出結(jié)果的診斷

這是面向分析結(jié)果進(jìn)行觀測對分析的敏感性評估。通常地，根據(jù)分析場（xa）與觀測（yo）和背景場（xb）的關(guān)系：xa＝xb＋W[yo－H（xb）]（其中，H為觀測算子，W為最優(yōu)權(quán)重矩陣），利用變分同化系統(tǒng)核心框架中的變量變換和同化系統(tǒng)觀測算子的切線性模式及其伴隨模式，通過伴隨技術(shù)可以相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐玫礁鱾€觀測對分析場的敏感性。還可以比較簡單地利用變分同化系統(tǒng)目標(biāo)泛函的觀測項（Jo），通過由（O－B）和（O－A）計算的目標(biāo)泛函值來大致地評估各個觀測對分析場的相對貢獻(xiàn)。

面向分析場的診斷可用來評估不同觀測的貢獻(xiàn)作用多少、是否信息冗余和可能的數(shù)據(jù)質(zhì)量，以便對最有希望的觀測進(jìn)行優(yōu)先排序處理和應(yīng)用于觀測—預(yù)報交互式數(shù)值預(yù)報。

2.2.4 參數(shù)優(yōu)化的診斷

同化系統(tǒng)誤差參數(shù)包含于xa＝xb＋W[yo－H（xb）]中的最優(yōu)權(quán)重矩陣W，所以直接左右了分析結(jié)果xa。因此，診斷預(yù)先設(shè)定的誤差參數(shù)是否合適是同化系統(tǒng)自主研發(fā)在系統(tǒng)建立之后需要考慮的固有步驟，以及應(yīng)用已有或他人同化系統(tǒng)時進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)的必備環(huán)節(jié)。

可以利用（O－B）和（O－A），通過觀測空間的后驗(yàn)診斷方法[8-9]進(jìn)行新息、背景場誤差、觀測誤差的一致性診斷和分析誤差的診斷：，R表示觀測誤差協(xié)方差矩陣，B表示背景場誤差協(xié)方差矩陣，H表示H的切線性模式，上角標(biāo)T表示矩陣（或向量）的轉(zhuǎn)置，HBHT為觀測空間下的背景場誤差協(xié)方差，HAHT為觀測空間下的分析場誤差協(xié)方差）。

通過計算出的后驗(yàn)診斷值與同化系統(tǒng)中的預(yù)先設(shè)定值的比較，用來診斷同化系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的誤差參數(shù)是否合適，以及如果不合適時給出調(diào)優(yōu)改進(jìn)的方向。

2.2.5 新種類觀測資料準(zhǔn)入的診斷評估

這是面向模式預(yù)報進(jìn)行觀測對預(yù)報的影響評估。通常地，對現(xiàn)有的所有觀測，通過觀測系統(tǒng)試驗(yàn)（OSE）（考慮逐個觀測排除的一個時段預(yù)報試驗(yàn)（data denial experiments），即逐個觀測排除敏感試驗(yàn)），來診斷評估不同設(shè)置的各種類觀測對預(yù)報質(zhì)量的影響。對于新種類觀測，通過一體化設(shè)計的觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSE）和OSE，來評估新種類觀測資料是否準(zhǔn)入。正是這樣的診斷評估保障了使用所有資料的控制預(yù)報試驗(yàn)的預(yù)報質(zhì)量最好。

3 開展這項工作的主要優(yōu)先任務(wù)和開端性思考

3.1 主要優(yōu)先任務(wù)

巧婦難為無米之炊。同化診斷工作的前提和基礎(chǔ)是必需同化診斷必備數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)。首要是觀測空間的數(shù)據(jù)，其最基本內(nèi)容包含：觀測值yo、觀測誤差標(biāo)準(zhǔn)差σo、質(zhì)量控制標(biāo)識IQC、觀測偏差bo、背景場的觀測相當(dāng)量yb、分析場的觀測相當(dāng)量ya。也由此得到（O－B）和（O－A）數(shù)據(jù)。

必須用利于通用性、共用性、特別是高度靈活性的觀測空間數(shù)據(jù)庫和模式空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存取格式；它們是診斷工作的最基礎(chǔ)性工作和保障性支撐，也是保障“能協(xié)作得起來”的客觀要求。

在同化診斷工作的內(nèi)容上，首要是針對觀測資料數(shù)統(tǒng)計和利用觀測空間的（O－B）和（O－A）數(shù)據(jù)，建立一套日常例行的同化診斷系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)觀測信息監(jiān)控、觀測項（Jo）中觀測對分析作用大小的診斷評估和同化系統(tǒng)參數(shù)的觀測空間后驗(yàn)診斷。

3.2 開端性思考

診斷是“基于問題、歸于理解和終于協(xié)作”來解決問題而推動數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的進(jìn)展。診斷的出發(fā)點(diǎn)在“問題導(dǎo)向”，且是以過程為導(dǎo)向的面向各個組成環(huán)節(jié)的問題，診斷的要求是“追求理解”，完成診斷工作依靠“團(tuán)結(jié)協(xié)作”。這些是診斷工作的客觀固有的工作屬性，是診斷工作的應(yīng)有之義和實(shí)際樣子。特別是，把各個部門聯(lián)合起來的“融合發(fā)展”是診斷工作組的工作屬性。開啟診斷工作在觀念上首先需要這些基本共識，來了解這是一份在作風(fēng)上不在說好話、在過程上還是個急不來的工作，而營造和增加工作上的理解氛圍和克服“找事情”“較真”“各自為戰(zhàn)”的主觀性傾向。

在行動上特別需要把各個部門聯(lián)合起來的“融合發(fā)展”來開展同化診斷工作，例如：

1）對于不斷更替的衛(wèi)星輻射率新資料，衛(wèi)星觀測信息監(jiān)控的研發(fā)需要同化診斷部門和衛(wèi)星資料同化部門的共同協(xié)作。

2）對于極小化求解過程的診斷和利用觀測算子的切線性模式及其伴隨模式的觀測對分析或預(yù)報的敏感性影響的診斷評估，需要同化診斷部門和同化系統(tǒng)研發(fā)部門的共同協(xié)作。

而且，貫徹落實(shí)“充分發(fā)揮組織優(yōu)勢，強(qiáng)化與上下游氣象業(yè)務(wù)單位的合作銜接，統(tǒng)籌用好全國資源”①http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202203/t20220303_592682.html。，來優(yōu)勢互補(bǔ)、團(tuán)結(jié)協(xié)作地推進(jìn)同化診斷系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)和業(yè)務(wù)建設(shè),例如：

1）可以通過CMA數(shù)值預(yù)報中心與國家衛(wèi)星氣象中心、國家氣象信息中心、CMA氣象探測中心的通力協(xié)作，針對數(shù)據(jù)管理，建立通用、共用、特別是高度靈活的觀測空間和模式空間診斷必備數(shù)據(jù)庫存取平臺，筑牢診斷工作的前端基礎(chǔ)。

2）可以通過CMA數(shù)值預(yù)報中心與國家氣象中心、國家衛(wèi)星氣象中心、華風(fēng)氣象傳媒集團(tuán)有限責(zé)任公司的通力協(xié)作，針對軟件系統(tǒng)的開發(fā)和管理，研討一體化、模塊化的軟件系統(tǒng)封裝技術(shù)、界面接口頂層設(shè)計和避免自說自話的開發(fā)工作方式，建立靈活、豐富的數(shù)值預(yù)報診斷輸出圖表繪制顯示平臺，在技術(shù)上支撐診斷工作的現(xiàn)實(shí)需要和規(guī)范化發(fā)展。

3）預(yù)報員有著在數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品應(yīng)用中通過天氣場景分類的模式產(chǎn)品表現(xiàn)而更具象化地發(fā)現(xiàn)問題的優(yōu)勢，研發(fā)者有著在數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)診斷中通過物理和數(shù)值模型的理解而更深入地發(fā)現(xiàn)問題的優(yōu)勢?；趩栴}導(dǎo)向，建立和加強(qiáng)一線研發(fā)人員和全國有經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀預(yù)報員的聯(lián)系橋梁，通過課題合作機(jī)制和定期交流機(jī)制，共贏地促進(jìn)研發(fā)人員對數(shù)值模式問題的診斷與改進(jìn)和預(yù)報員對數(shù)值模式產(chǎn)品的理解與更好應(yīng)用。

對于開啟同化系統(tǒng)的診斷工作，觀念上有共識至關(guān)重要，是團(tuán)結(jié)奮斗的思想基礎(chǔ)和前提；行動上通用、共用、特別是高度靈活性的診斷必備數(shù)據(jù)至關(guān)重要，是開展診斷工作的前端基礎(chǔ)任務(wù)和團(tuán)結(jié)協(xié)作的支撐條件。需要遵循診斷工作的實(shí)際樣子，開啟和推動同化診斷系統(tǒng)研發(fā)基于“問題導(dǎo)向、科學(xué)理解和團(tuán)結(jié)協(xié)作”的高質(zhì)量發(fā)展。