管成功

我們?nèi)粘５奶鞖忸A(yù)報就是預(yù)報一個地方未來某個時刻的大氣狀況（包括溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度和氣壓）和天氣現(xiàn)象（晴、多云、雨、雪等）。以前，人類只能通過觀察當(dāng)前的天氣現(xiàn)象結(jié)合經(jīng)驗來預(yù)測未來的天氣狀況，如“朝霞行千里，晚霞不出門”等。后來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報也應(yīng)運而生，并且在人們的日常生活中發(fā)揮著重要作用。

初識數(shù)值天氣預(yù)報

大氣是一種流體，它的基本運動遵循著流體力學(xué)基本理論。氣象學(xué)家們通過對大氣運動所遵從的流體力學(xué)和熱力學(xué)的基本定律進行理論推導(dǎo)，得到了一組關(guān)于大氣狀態(tài)變量的偏微分方程，包括運動方程、熱力學(xué)方程、連續(xù)方程、狀態(tài)方程和水汽方程，他們稱其為大氣運動的基本方程組。在已知大氣的當(dāng)前狀態(tài)與大氣周邊的環(huán)境條件（前者為初始條件，后者為邊界條件）下求取方程組的近似數(shù)值解，就是數(shù)值天氣預(yù)報。

數(shù)值天氣預(yù)報為人類能夠預(yù)測未來更長時間的天氣提供了科學(xué)上的依據(jù)，天氣預(yù)報水平也因數(shù)值天氣預(yù)報的出現(xiàn)而得到大幅度的提高。數(shù)值天氣預(yù)報在應(yīng)用上分為理論研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用，我們?nèi)粘闅庀箢A(yù)報和服務(wù)提供重要支撐的是業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報，業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)每天24小時都在運轉(zhuǎn)，并在特定時刻啟動未來天氣的滾動預(yù)報，生成預(yù)報產(chǎn)品。

GRAPES的誕生

20世紀(jì)90年代初，中國氣象局從世界最先進的數(shù)值天氣預(yù)報中心—歐洲中期天氣預(yù)報中心引入了T42、T63、T106、T213系列數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，并在2008年自行升級到T639，使我國成為了世界上少數(shù)幾家能夠提供全球1～10天預(yù)報產(chǎn)品的國家。

1999年，中國業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報走上自主研發(fā)之路，我國自主研發(fā)的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)有個很好聽的英文名字“葡萄”，即GRAPES，它的英文全名是Global-Regional Assimilation and Prediction System，即全球區(qū)域同化預(yù)報系統(tǒng)。GRAPES包括了同化和模式兩大核心模塊，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同又衍生了GRAPES-MESO（中尺度模式）、GRAPES-GFS（全球模式）和GRAPES-TYM（臺風(fēng)模式）等系統(tǒng)。然而，真正能代表我國自主研發(fā)的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報技術(shù)能力的當(dāng)屬GRAPES全球數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。

數(shù)值天氣預(yù)報的來龍去脈

因數(shù)值天氣預(yù)報是一個在計算機上進行計算的問題，所以需要有規(guī)則的數(shù)據(jù)排列和整齊劃一的數(shù)據(jù)單位。

預(yù)報時，首先要將覆蓋在地球表面的大氣進行網(wǎng)格化處理，這就如同將地球從地表面向上直到對流層頂，蓋上若干層有規(guī)則的、相互間有一定距離的網(wǎng)。按照一定數(shù)學(xué)規(guī)律，GRAPES給地球覆蓋了水平網(wǎng)格距為25千米的大網(wǎng)，從地面到大氣平流層底（大約35千米）一共鋪設(shè)了60層，使地球大氣形成了一個無形的巨大的網(wǎng)格空間。然后，利用資料處理技術(shù)將來自全球的各種氣象觀測工具獲得的觀測資料，如地面觀測站、探空觀測、雷達觀測和衛(wèi)星觀測等，合理分布到每一個網(wǎng)格點上，從而獲得某一個特定時刻與真實大氣最為接近的三維網(wǎng)格分布。

當(dāng)每60層網(wǎng)格點上都有數(shù)據(jù)后，我們就擁有了一個非常規(guī)則完整的大氣狀態(tài)，從而為進行數(shù)值計算提供了必要的初值條件。下一步就是采用已經(jīng)離散化處理的大氣運動方程組估算各個網(wǎng)格點上下一個時刻的大氣狀態(tài)。在國內(nèi)外眾多模式中，GRAPES采用的理論方法如垂直坐標(biāo)的選取、水平網(wǎng)格的選取、數(shù)值計算的穩(wěn)定性、精度，質(zhì)量和能量守恒性等方面，均較為先進。

GRAPES的時間積分采用的是國際流行、先進的半拉格朗日積分方案，其積分時間間距靈活性較大。在目前0.25度分辨率下，每次積分間距是5分鐘，拿全球10天預(yù)報來說，就是要積分2880次才能完成。為了滿足天氣預(yù)報業(yè)務(wù)需求，如此大的計算量和數(shù)據(jù)存儲量需要非常高性能的計算機才能在有限時間內(nèi)完成。

在完成大氣運動方程的積分后，還需要考慮外界對大氣的影響，引起大氣要素的改變，如太陽輻射、地面和海洋對大氣的熱力學(xué)影響，以及降水等相態(tài)變化帶來的影響。這時，GRAPES系統(tǒng)中另外一個重要部分—業(yè)內(nèi)人士稱之為物理過程—開始發(fā)揮作用。物理過程包括大氣輻射、邊界層、陸面過程、云過程等方面，主要是熱力學(xué)屬性的變化對大氣狀況的影響。在大氣運動學(xué)計算完成后，GRAPES會根據(jù)一些科學(xué)參數(shù)方法將物理過程的熱力學(xué)貢獻增加上，同時對天氣現(xiàn)象進行計算，如在一個時間間隔內(nèi)下了多少雨、天空云量分布等，這樣就完成了1步的時間積分。如此重復(fù)2880步，就完成了未來1～10天的預(yù)報。

（責(zé)任編輯/岳萌 ?美術(shù)編輯/胡美巖）endprint