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会预报天气的葡萄——全球/区域同化预报系统

2021-06-07 12:25今日中国

简介会预报天气的葡萄?这是甚么超能力?难道是最新的黑科技?其实,此葡萄非彼葡萄,它是指中国气象局自主研发的数值预报系统。该系统的建立标誌着中国已经成为国际上少数几个拥有自主数值预报系统的国家。 会预报天气的葡萄?这是甚么超能力?难道是最新的黑科...

会预报天气的葡萄?这是甚么超能力?难道是最新的黑科技?其实,此葡萄非彼葡萄,它是指中国气象局自主研发的数值预报系统。该系统的建立标誌着中国已经成为国际上少数几个拥有自主数值预报系统的国家。

会预报天气的葡萄?这是甚么超能力?难道是最新的黑科技?

其实,此葡萄非彼葡萄,它是指中国气象局自主研发的数值预报系统,全称为Global/Regional Assimilation and Prediction System全球/区域同化预报系统(简称GRAPES)。该系统的建立标誌着中国已经成为国际上少数几个拥有自主数值预报系统的国家。那么,这个葡萄究竟有什么特别之处呢?它如何预报天气?又是怎样培育出来的?

葡萄的成长

古时,人们往往从经验出发,看云识天气。因此也流传下来许多类似朝霞不出门,晚霞行千里、空中鱼鳞天,不雨也风颠、天有城堡云,地上雷雨临的气象谚语。

一般认为,现代天气预报始于天气图的诞生。1854年11月克里米亚战争期间,英法联军因黑海风暴一度受挫。事后,法国政府命巴黎天文台台长勒威耶(U.Le Verrier)查明风暴的来龙去脉。他发现,如果及时发现风暴并预报它的移动,损失是可以避免的。所以,勒威耶提出组织气象观测网,将观测资料集中起来绘製天气图,预测天气变化。此后,绘製天气图成为天气预报的一项日常工作,并陆续推广至其他国家。这种方法直到今天,也仍不失为一种有效的预报手段,但它的準确率及便捷程度不够高。

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气象观测员正在绘製天气图

随着科技的进步,数值预报系统应运而生,人们利用它製作数值天气预报,真正让天气走在了时间前面。因为大气是一种流体,其运动轨迹可以用流体力学的公式计算出来。这套公式即数值模式,也是数值预报系统的灵魂。但是,数值模式无法直接识别卫星、雷达等仪器捕捉到的观测资料,需要先将资料处理成模式能消化的数据,转化资料的过程被称为资料同化。接着,超级计算机根据数值模式进行运算,计算结果由预报员分析,最终得出我们平时看到的天气预报。

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数值预报系统涉及卫星、雷达、超级计算机等多种技术,它提高了天气预报準确率,也能预测未来更长时间的天气。因而被誉为气象事业的芯,是气象事业最重要的核心技术。

中国在这一领域的研究起步晚,很长一段时间都依赖于引进国外的系统,将欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的数值预报系统作为参考的主要模式。那么,为何不继续引进,而选择投入大量人力物力以及时间去研发自己的数值预报系统?

一方面,引进需花费重金。另一方面,实际应用过程中,国外系统没有考虑中国独有的气象地理环境。加之国外的核心技术始终保密,我们发现了问题难以从根本上改进,用起来限制重重。中国气象科学研究院前院长张人禾2008年指出,中国是一个气象灾害频发的国家,上世纪九十年代以来,平均每年因各种气象灾害造成的农作物受灾面积达4800多万公顷,受灾人口约3.8亿人次,直接经济损失达1800多亿元,约佔国内生产总值的2.7%。如此严重的情况之下,水土不服的国外系统无法充分满足防灾减灾、保障国民经济、社会发展和民众生命财产的需求。

因此,1999年内地开始研发GRAPES全球/区域同化预报系统,播下葡萄的种子。2001年, GRAPES先在区域模式上取得成功。然而种植葡萄并不是一帆风顺的,因为数值预报系统每一个环节都是一门学问,各个关键环节计算方案需要反复推敲,牵一髮而动全身的情形时常出现,仅仅是一个微小的问题都可能导致整个系统性能下降,甚至全部推翻重来。经过数年的回报试验,克服一系列技术难关后,2016年,葡萄终于熟了, GRAPES全球预报系统正式业务化运行并面向全球下发产品,被视为数值预报技术体系全面实现国产化。

特别的葡萄

GRAPES解决了内地数值预报长期面临的资料不能有效利用的问题。虽与ECMWF(欧洲)、NCEP(美国)和日本等国际主流同期数值预报产品相比尚存在一定的差距,但它的各项性能指标已总体超过内地现行的全球业务模式系统T639,开始与T639共同服务于中国的气象事业(因GRAPES投入业务运行时间还不长,未能完全取代T639)。

T639是引进集成和再创新的模式,其核心技术是之前从美国和欧洲引进的,它的主要问题在于所用资料较少,卫星资料佔比不超过30%,无法有效使用国家花费几十亿开发的气象卫星和气象雷达。而GRAPES採用了四维变分同化系统(4DVAR),资料应用水平远远超过T639,卫星资料佔比达到70%。卫星资料同化方面优势明显,这是一个很大的技术进步。

为什么仅凭应用资料的多少就可以判断两个系统的高下?

因为数值预报系统处理资料时与人类学习相似。我们在学习的过程中掌握的知识愈多,成绩自然会愈好,同理,数值预报系统能否成功预报也主要与数值模式和各种观测资料的吸收有关,当T639和GRAPES的数值模式都日臻完善,模式误差得到有效控制,那么哪一个系统能应用更多的资料就成为关键。GRAPES不仅能对常规的高空、地面观测进行同化,还实现了对卫星垂直探测器的辐射率资料、多普勒天气雷达遥感资料和卫星导出产品的直接同化,大大扩展了数值预报中观测资料的使用範围。

葡萄的应用

目前,GRAPES已开发了一系列可用于不同领域的数值预报模式:

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GRAPES区域中尺度数值预报系统(GRAPES-Meso),对中国区域的降水进行短期60h以内预报,如降水发生区域、降水强度、降水出现时段等。

GRAPES颱风预报模式(GRAPES-TCM)对颱风路径类型、强度、登陆过程以及移向或移速突变等都表现出良好的预报性能,24h颱风路径预报误差连续五年小于美国、日本气象部门。

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(数据来源:中国气象报)
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在对2018年于上海登陆的10号颱风安比的监测中,风云四号气象卫星和GRAPES全球数值预报系统的互动,可算是葡萄发挥作用的一个典型例子。7月23日,GRAPES向3.6万公里高空上的风云四号发出指令,风云四号展开对地面的观测,观测资料及时回传,实时同化到GRAPES的4DVAR系统中,得到资料后的GRAPES计算出颱风危及的敏感区域,提前掌握颱风路径和降水特徵,为精準预报安比的影响提供了技术支撑。

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江苏启东提前安排沿江沿海船舶避风,全力预防颱风
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GRAPES沙尘暴预报模式(GRAPES-SDM),基本上可以準确地预报出中国沙尘暴的发生与发展。

GRAPES雷电预报模式,对北京地区的几个个例进行的数值模拟结果表明其有着良好的大气雷电预报能力。

与GRAPES相嵌套的云降水显式方案,所预报的云结构和相态分布为人工影响天气业务提供了指导。

2008年GRAPES短时临近天气预报系统(GRAPES-SWIFT)与美国、加拿大等国际上七个系统一起为北京奥运会和青岛奥帆赛提供气象保障服务,现已在全国各地推广应用。

远渡的葡萄

除了在国内广泛应用外,葡萄也随一带一路倡议一起走出了国门。

一带一路沿线多数国家与中国的情况相似,气象灾害频发,并且这些国家监测能力相对较弱。而中国气象方面的技术日益成熟,在葡萄的支持下,内地24h晴雨预报準确率、最高温度和最低温度预报準确率、暴雨预报準确率悉数提高,达到世界先进水平。简单地说,就是看了天气预报不下雨出门却下雨的可能性已经很小。

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(数据来源:中国气象报)
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截至2017年6月,葡萄产品数量已增至70种,包括23种欧洲中期天气预报中心所没有的但在内地气象预报业务中有需求的产品,形成了有特色的产品体系。这些準确率高、内容丰富的产品通过中国气象局卫星数据广播系统等途径出口到泰国、越南、菲律宾等东南亚国家以及乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦等中亚国家。

好似一个奇妙的轮迴。公元前二世纪,张骞出使西域,开闢丝绸之路,将葡萄这种水果带到中原。二十一世纪的今天,由中国研发的葡萄数值预报系统远渡他国,为提升当地灾害性天气预报能力、延长预警时效、增强数值预报产品在灾害性天气预报中的应用技巧等作出中国贡献。

参考资料:

《GRAPES隔空指挥风云四号加密观测》中国气象报 2018/8/7

《天气预报中国芯,你知道多少?》中国气象局 2018/5/7

《GRAPES全球数值预报系统:十年磨一剑》中国气象局 2016/1/26

《我国自主研製的全球/区域一体化数值天气预报系统GRAPES的应用与展望》中国工程科学 2012年第14卷第9期

《中国国家级新一代业务数值预报系统GRAPES的发展》中国科学 2008年第53卷第20期

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