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世界气象预报最新动态分析-10大趋势
2016-02-26 13:02:34
    1950年数值天气预报(NWP)试验成功后,随着其在世界各主要预报中心进入业务化,预报模式接替预报员进行天气预报的“换代”趋势逐步显现,并且从1960年代开始,伴随计算机速度的指数增加而提高,NWP有效预报时效开始以每10年增加1天的速度持续提高,进而超过了预报员预报的水准,NWP预报产品在20世纪末逐渐成为各时段气象预报的主要依据。NWP这样的提高速度,到了21世纪前10年后出现了放缓趋势,但业已形成的NWP预报能力,几乎全面(特别是3小时及以上时段)超过了预报员预报能力。预报模式能力提升的放缓,一方面来自NWP有效预报的时效(目前已经达到7-10天)已经接近了经典动力气象学中天气可预报性之极限;另一方面也和原始方程模式在千米尺度上的参数化没有理论上的突破,以及模式耦合技术很难触及到更真实的大气层中多种物理、化学和生物等过程细节等有关。在这样的背景下,预报能力的提高出现了一些新的动态(包括对上述主要问题的解决方案),可以概括为以下10大趋势。
趋势1:预报员DA(数据同化)理念被提出,预报员与预报模式长期共处或许有新的机制来维护
     2015年召开的国际数值天气预报会议上,预报员DA的理念被低调抛出。尽管这样的理念尚未引起更多的关注,但是预报员怎样与NWP预报指南产品相互融合,并各自将其价值发挥到极致,从而让NWP产品与预报员“合力”做出的预报预警信息得到“1+1>2”的能效放大,得到了学术界及各预报中心的极大关注。预报员DA借助了DA理念,将预报员预报经验,尤其是针对一些天气过程,常用NWP模式一些容易出现的“偏激”错误在预报中的把握,确实是短期内包括集合预报方法等很难实现的NWP产品“纠偏”手段。当然,如果把预报结论在更广泛意义上理解为各种预报和天气形势推论等的“集合”结果的话,那么,预报员DA结果应该并非仅仅是普通“成员”结果之一,其引领和关键作用,需要更多的探讨和定性和量化评估后,进行精确阐述。
趋势2:下一代预报模式EC(欧洲中心)走加入更多要素和更多圈层的耦合之平稳过渡方式,同时探讨用随机动力学方法解析非线性过程的突破。世界气象预报最新动态分析-10大趋势
图1欧洲中期天气预报中心(EC)预报模式平稳过渡计划已经制定到了2030年
    EC立足于“吃”卫星,让更多卫星遥感解析出的要素(气溶胶、海冰和温室/活性气体)进入模式,从而让模式的模拟更加逼真真实大气环境。而分辨率提高(1-2km)、全耦合的深入和非流体静力架构让模式趋于完美。与此同时,欧洲也没有放弃包括随机动力理论等在模式动力机制根本改进上的尝试,如果期待2020年前后模式性能本质上的提升,由原EC概率预报主管帕尔默主持,主要在牛津数学研究所开展的“随机动力”模式研制是可以期待的渠道之一。而全球对流解析模式(或风暴尺度模式)的研制已经成为模式开发的主流。
趋势3:EC和欧洲对全球模式性能的继续大幅度提高,寄希望于COSMIC-2和中国卫星数据。
     在美国,基于掩星技术的大气探测COSMIC二期(COSMIC-2)经过一番争议后,确定了2016财年NOAA支持COSMIC-2预算(其中,说服各方的主要论据,之一,是中国台湾承担项目中的1亿美元预算,占项目总投入的一半左右。COSMIC-2成为NOAA、国防部(空军)和中国台湾共同支持的项目,其中美国军方主要用项目获缺的电离层数据。COSMIC-2瞄准提升6-8天预报,其提供的海洋、南北极资料是最珍贵的。中国台湾的高投入,与日本在TRMM和GPM项目上的投入相似,意在改进台风预报。EC看好COSMIC-2项目提供的数据,显然基于COSMIC-1数据对其NWP模式能力的提升(模式能力的探测归因分析,一度将其列为前3因素),以及COSMIC-2能力的相对于COSMIC-1的大幅度提升(下图)。按照计划,美方负责研制的COSMIC-2第一颗卫星,在2015年初在英国完成测试,移交给台方。一句双方协议,美方主要负责COSMIC-2的软件,而台方负责卫星的运行。
    中国FY卫星,尤其是下一代FY-4卫星,其星载传感器全面接近国际领先水平,带来的是欧亚大陆东部遥感数据的全面提升,同样令人期待。
趋势4:美国等预报模式“多山头”国家致力于通过“优中选优”方式,推出国家气象部门主导的下一代预报模式。世界气象预报最新动态分析-10大趋势
图2 美国模式性能大约落后欧洲中心0.3~0.4天(依据对流情况AC而定,有效预报时段,上图),按照预报时效每十年延长一天计算,落后3-4年时间。下一代模式强调融合(blend)各方(包括EC)模式优点
美国目前最明确的下一代模式开发计划,是要在2018年完成的下一代全球降水系统(NGGPS)模式的研发。该模式的研制,借助桑迪飓风基金,5年分别投入1480万和1500万美元用于基本R2O和业务计算能力。模式目标:全球模式3-10km,嵌入模式0.5-2km,有效期:30d的全球最先进预报系统。下一代模式并非全新开发,而是在考核目前已有模式基础上,采取“优中选优”战略,即从候选的6个模式中选出最优者继续开发。
     目前,候选模式的基本测试已经完成,排在前列的模式也基本确定,下一步的筛选工作交由NWS负责,通过实时预报、基准和性能测试、以及更多理想化测试确定候选模式的胜出者。如果说前期测试侧重模式的科学性和可持续发展性,NWS主持的最终测试,将直面预报能力“刺刀见红”。
    美国采取优中选优战略确定下一代模式,即汲取了以往相对于欧洲,模式开发工作摊子铺的太大,难以拿出精品领先全球的教训;同时也正是因为开发工作广泛和相对独立,“优中选优”战略才能提上日程,更多的创新活力才能保持。其中,在其下一代模式的框架中,甚至并不回避ECMWF和加拿大的模式(图2)。
    如果NGGPS模式研发成功,很可能为美国其他模式,尤其是飓风和中尺度预报模式提供范本,从而加速其模式的全面更新换代。
趋势5:为提升业务预报能力,NWS首次成为“资助机构”,招标降水预报模式开发平台,同时致力于推广具有“互操作性”的业务开发平台。
     在NWP模式长期落后于欧洲中心以及飓风等激烈天气带来的损失逐年增加的双重压力下,美国气象局(NWS)针对下一代全球降水预报系统(NGGPS)的开发,无奈进行了项目招标。这使其第一次以气象业务机构变身为资助机构。这虽然是NWS压力下无奈的选择,但美国先期很好地解决了资料共享,加上正在努力强化推广业务平台标准,该计划可望3-5年内见效,同时带来业务编码、标准进一步开放,学界更多加入业务开发的良性循环和合作。
趋势6:下一代模式的潜力之一,是与各主要国家开发中的地球系统模式实现对接,对接结果将弱化天气和气候模式之间的界限,从而为无缝隙预报打下基础。
    曾经在欧洲中期天气预报中心主持概率预报世界著名科学家、英国学者帕尔默,主导提出天气和气候模式的“随机动力”核心,以及“云解析”模式等理念。当数值预报模式的空间分辨率,从100km精细化到10km甚至1km时,模式的动力核心和参数化之间的界限也走向模糊,这样必然引起下一代天气和气候模式最终走向统一。鉴于模式,尤其是非线性模式的开发对资源的巨大需求,应该学者建议在欧洲、北美,以及亚洲气候研究领先国家(中国、印度、日本和韩国)共同支持的机构,开展以大洲为代表的高分辨率气候模式研究,瞄准根本性的科学问题寻求突破。
趋势7:美欧日等国的气象中心和企业,基于“大数据”理念,采取混合模式(包括各国、研究机构模式引入以及多模式的集合方法)与气候数据库(历史天气记录)的手段(采用各种跨学科的混合技术),推进预报有效性、可定制性和准确性的效果初显。
    这一思路的出现,一方面让数值模拟预报在经过验证后具有了历史预报实况的参考意义;另一方面因为该记录源于高分辨率模式,模式输出的全球3D每个时次数亿个点数据,可以容易给出各种定制预报(例如,飞机航线、火山口上方等)。
趋势8:下一代卫星为代表的气象遥感数据快速扫描技术“倒逼”NWP系统做出更新,以全面利用以分钟记的海量数据更新。其中,日、美等国相继推出从30秒到1小时更新的高分辨率快速同化系统,从容应对并有望大幅度提升短生命期、强对流系统的短临预报水平。
  美国气象业务2014年开始实现了高分辨快速更新同化(HRRR),每1小时进行数据更新的。日本在葵花卫星升空后,因为具有针对日本本土以及预报敏感区域快速扫描(30秒到2分钟)能力,因此将其快速更新同化的时间间隔缩短到30秒。下一代卫星扫描战略以及目前已经广泛实时的雷达快速扫描,有望将龙卷等强对流预警时间增加10分钟左右,实现突破式进步。
    为适应数据量的增加和模式模拟业务计算量的增加,世界各主要预报中心不约而同地加快了计算能力的提升步伐。其中,到2016年英国气象局和美国气象局有望超越EC,成为拥有最强计算能力的预报中心。
趋势9:NWP强国降低对外施援“门槛”,通过模式移植和调试,达到目标国和模式本身共同受益的结果,进而提高全球模式水平。
    世界上各主要气象预报中心,在开展自身创新的同时,也通过技术输出扩大其系统和产品开发能力的影响和价值。尤其是,一些区域模式和预测服务系统,在移植和在受援国落地过程中,面对的一些新的科学挑战,例如,当地不同气候类型、地形环境和与激烈天气类型相关的不同灾害类型等,也是改进和调整模式能力和服务系统功能的绝好机会,这样的输出往往能达到“双赢”的目的。
2015年俄罗斯引进德国气象局ICON模式,或许意味着引进方和模式的双赢。法国气象局分别向南非和印尼等国输出气象技术,其中面向印尼4年城市预警计划更是气象服务一条龙式的输出和融合过程。
趋势10:气象预报的“全程呵护”理念获得共识,气象服务全球一体化的理念为西方私企倡导和实践,预警自动化和机构扁平化让DWD出头。
2015年,由NSSL专家最早提出的天气预报“全程呵护”的理念目前在美国气象界得到了最广泛的认可,成为共识。而气象预报在减灾防灾中效果的提升,需要依靠技术创新和综合社会、行为、经济科学的加入,而这些学科对气象的介入,在美国已经有很好基础。
    在气象创新和服务领域,美国和欧洲的天气私企以及谷歌等媒体公司在引领全球一体化理念的实践,而法国气象局与5家企业联合成立的法国气象集团,则意在发挥国家气象机构与企业各自优势,提速气象服务与网络新媒体的快速融合。
附:预报相关的4大期待
期待1:下一代雷达的研发跟上下一代卫星进步的脚步,尤其是借助手机基站的下一代雷达设计思想,如能实现将彻底改变雷达数据受地球曲率、地形等影响严重局面,可望对大气对流系统实现全程无变形监视信息,获取可进入模式的更精准、及时和全面的数据。
期待2:允许对流模式或风暴尺度模式逐步成熟,通过融入随机动力核心等新科技创新,让预报模式从根本上摆脱可预报性的束缚,实现模式具有对短期、延伸期可短期气候无缝隙预报预测的能力。
期待3:全球所有大气及相关的探测数据、数据处理系统和预报模式编码,以及预报产品(包括来自政府、研究机构和私企等所有相关组织)等实现全球完全共享,这将为智能气象观测时代的来临,以及同步带来预报能力的提升做好准备。
期待4:预报时效延长,人类对自然环境越来越重要的影响需要考虑在内。借助自然科学、社会和人文科学、经济学、国际政策等跨领域和学科的研究,未来人类活动及其影响的程度和范围“可框定和预测”,将会给气候变化和地球环境预测等带来益处。
    主要参考资料包括:国际司国际合作交流材料、NOAA2015卫星大会、美国气象学会2015年年会、夏季交流会和数值预报等专业会议材料、《气象科技进展》杂志和中国气象局图书馆等编辑的《科技信息快递》、各主要国家气象机构、组织和企业网页资料等。更多详细参考资料,需要的读者请与国际司和中国气象局图书馆联系。                       文章来源:中国气象报         尹仔锋提供
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