劉 慧，崔喜愛

（1.中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司，北京 100081；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

1 概述

區(qū)域數(shù)值模式是提升氣象預(yù)報精準(zhǔn)化、客觀化的關(guān)鍵，我國的區(qū)域數(shù)值模式經(jīng)過多年引進(jìn)吸收與自主研發(fā)，國家級和8個區(qū)域中心均建立了區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)，模式分辨率不斷提升、預(yù)報范圍逐步擴(kuò)展。隨著精細(xì)化氣象預(yù)報服務(wù)需求的不斷提升，對區(qū)域數(shù)值模式提出了更高的需求，本文旨在梳理我國近年來區(qū)域數(shù)值模式研發(fā)和業(yè)務(wù)應(yīng)用現(xiàn)狀，為區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)集約化、規(guī)范化發(fā)展提供建議和對策。

2 區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外區(qū)域數(shù)值預(yù)報發(fā)展現(xiàn)狀

區(qū)域數(shù)值模式在20世紀(jì)80年代已有所發(fā)展，進(jìn)入2000年以來，隨著計算機(jī)技術(shù)和觀測技術(shù)的快速發(fā)展，以及大氣動力學(xué)理論與數(shù)學(xué)物理發(fā)展的密切結(jié)合，國際上區(qū)域數(shù)值模式已發(fā)展得相當(dāng)先進(jìn)，并在世界范圍廣為使用[1]。當(dāng)前，國際上區(qū)域數(shù)值預(yù)報發(fā)展的新熱點(diǎn)是對流可分辨尺度數(shù)值模式。主要的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普遍建立了1～3 km水平分辨率的區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)和集合預(yù)報系統(tǒng)，比如英國氣象局1.5 km分辨區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)和2.2 km分辨率區(qū)域集合預(yù)報系統(tǒng)，法國氣象局1.3 km分辨率區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)和2.5 km分辨率區(qū)域集合預(yù)報系統(tǒng)，德國2.8 km分辨率區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)和2.8 km分辨率區(qū)域集合預(yù)報系統(tǒng)，美國環(huán)境預(yù)報中心3/1 km分辨率區(qū)域快速循環(huán)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，日本氣象廳2 km分辨率區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。國際上仍持續(xù)推動發(fā)展更高分辨率的區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)和對流尺度區(qū)域集合預(yù)報系統(tǒng)，在技術(shù)上使用大量非常規(guī)觀測來改善模式云的初始化，例如多尺度同化方法與雷達(dá)和衛(wèi)星等遙感數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用相結(jié)合，發(fā)展適合對流尺度的物理過程參數(shù)化方案，同時，基于對流尺度模式，以短時間間隔的高分辨率快速循環(huán)同化系統(tǒng)支撐臨近預(yù)報業(yè)務(wù)，以對流尺度分辨率的集合預(yù)報支撐對中小尺度不確定性的短臨預(yù)報業(yè)務(wù)[4-6]。

2.2 我國區(qū)域數(shù)值預(yù)報發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代初開始，隨著地方防災(zāi)減災(zāi)對氣象預(yù)報服務(wù)需求的日益增長，各?。▍^(qū)、市）氣象局紛紛爭取地方資金支持，以引進(jìn)美國國家大氣研究中心（The National Center for Atmospheric Research，NCAR）的 MM4（Mesoscale Model 4）、MM5（Mesoscale Model 5）和 WRF（Weather Research and Forecasting Model）中尺度模式為主，先后建立了水平分辨率為10～100 km的區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。中國氣象局在2000年初開始了我國自主知識產(chǎn)權(quán)的GRAPES（Global and Regional Assimilation and Prediction System）模式的研發(fā)工作，區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)GRAPES-MESO于2006年正式業(yè)務(wù)化運(yùn)行[2-3]。

隨著精細(xì)化預(yù)報服務(wù)的需求越來越高，我國區(qū)域數(shù)值模式在2010年后發(fā)展迅速，在中國氣象局關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)向國家和區(qū)域兩級集約的要求下，目前，國家級基于GRAPES建立了覆蓋全國的10～15 km分辨率、預(yù)報時效為84 h的區(qū)域確定性和集合數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)，8個區(qū)域氣象中心基于GRAPES或WRF分別建立了覆蓋本區(qū)域或全國的3～9 km分辨率、預(yù)報時效72～120 h的區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)，部分區(qū)域中心建立了3 km分辨率、預(yù)報時效從12～24 h的快速循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng)，為全國和區(qū)域內(nèi)各省（區(qū)、市）提供高分辨、高頻次的區(qū)域數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品[4]。

為了推動區(qū)域數(shù)值預(yù)報的集約化、規(guī)范化發(fā)展，2015年，中國氣象局出臺了《關(guān)于規(guī)范全國數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)布局的意見》，在意見帶動下，華北、華東和華南區(qū)域氣象中心相繼成立了區(qū)域內(nèi)和跨區(qū)域的數(shù)值模式聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，逐步開展了區(qū)域數(shù)值模式的集中研發(fā)和協(xié)同攻關(guān)。區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)基本形成了以國家級和華北、華東、華南區(qū)域氣象中心為骨干，加之其他5個區(qū)域氣象中心（東北、華中、西南、西北和新疆）的集約化發(fā)展格局。同時，通過數(shù)值預(yù)報云實(shí)現(xiàn)了國家級和華北、華東、華南的區(qū)域高分辨率數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的快速共享，為全國精細(xì)化氣象預(yù)報預(yù)警和氣象服務(wù)提供了有效的支撐。區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)如表1所示。

2.3 我國區(qū)域數(shù)值模式核心技術(shù)進(jìn)展情況

目前，國家級和華南區(qū)域氣象中心基于中國氣象局自主研發(fā)的GRAPES分別建立了全國和華南區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)、快速循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng)和集合預(yù)報系統(tǒng)；西北區(qū)域氣象中心通過移植國家級的GRAPES-MESO建立了本區(qū)域的區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)GRAPES_LZ；東北、華東、華中、新疆基于WRF建立了本區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)和快速循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng)；西南區(qū)域氣象中心通過移植華東的SMB-WARMS系統(tǒng)建立了本區(qū)域的區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)SWC-WARMS。國家級和8個區(qū)域中均發(fā)展了適合本區(qū)域的物理過程和同化技術(shù)，雷達(dá)、飛機(jī)報、衛(wèi)星等非常規(guī)資料也越來越多地被應(yīng)用于區(qū)域模式中。以華北、華東、華南區(qū)域氣象中心為代表的高分辨率區(qū)域數(shù)值預(yù)報核心技術(shù)發(fā)展迅速，模式分辨率和預(yù)報性能穩(wěn)步提高。華北在天氣雷達(dá)和GPS/ZTD等稠密觀測資料同化技術(shù)的集成應(yīng)用研發(fā)，華東在尺度自適應(yīng)模式物理過程技術(shù)自主研發(fā)，華南在GRAPES區(qū)域模式動力框架、低緯度地區(qū)云降水物理方案的自主研發(fā)等方面取得了明顯的進(jìn)展，形成了各具特色的高分辨率模式核心技術(shù)。區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)同化資料類型如表2所示。

表1 區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)一覽表

表2 區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)同化資料類型

2.4 我國區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)應(yīng)用情況

區(qū)域數(shù)值模式對高頻次、稠密觀測資料的應(yīng)用特點(diǎn)，使得其在災(zāi)害性天氣短時臨近和精細(xì)化預(yù)報服務(wù)中發(fā)揮了重要的作用。目前，區(qū)域數(shù)值模式在全國氣象業(yè)務(wù)中應(yīng)用廣泛，以區(qū)域高分辨率數(shù)值模式為基礎(chǔ)的預(yù)報技術(shù)和客觀方法為省級短時臨近預(yù)報預(yù)警、臺風(fēng)暴雨等災(zāi)害性天氣預(yù)報等無縫隙、精細(xì)化預(yù)報業(yè)務(wù)快速發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支持，高分辨、高頻次的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在重大社會活動氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了越來越重要的作用，區(qū)域數(shù)值模式已成為省級預(yù)報業(yè)務(wù)平臺、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)技術(shù)客觀方法的有機(jī)組成部分。尤其是華北、華東、華南的區(qū)域高分辨率數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，在近年來全國1～3 km的無縫隙智能網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)的快速發(fā)展方面起到了至關(guān)重要的推動作用[6]。

3 問題和挑戰(zhàn)

盡管區(qū)域模式的分辨率和預(yù)報水平不斷提升，但對于災(zāi)害性強(qiáng)對流天氣過程的預(yù)報能力還有待提高，區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展不均衡、不集約以及區(qū)域模式檢驗(yàn)評估粗放等問題還比較突出，模式的人才隊(duì)伍和開放合作也有待加強(qiáng)。

3.1 區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)技術(shù)水平相對發(fā)達(dá)國家還有差距

我國自主研發(fā)的GRAPES區(qū)域模式與國際主流區(qū)域模式相比還存在一定的差距，模式動力框架的精度不高、復(fù)雜地形的動力作用考慮不細(xì)致，物理過程不能適應(yīng)更高分辨率以及資料同化水平不高等問題依舊存在；本地化改進(jìn)的WRF模式在研發(fā)和應(yīng)用上存在受制于人的情況，還沒有形成對全國短時臨近預(yù)報預(yù)警和無縫隙精細(xì)化氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的支撐能力。

3.2 區(qū)域數(shù)值模式業(yè)務(wù)發(fā)展不均衡、不集約

華北、華東、華南區(qū)域中心數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)開展得比較早，研發(fā)力量較強(qiáng)，其模式的技術(shù)水平、業(yè)務(wù)應(yīng)用都比較好。由于西部地區(qū)的歷史原因和人才資源的限制，整體數(shù)值預(yù)報的發(fā)展水平不高，尚不能形成對區(qū)域內(nèi)各省氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的整體支持和指導(dǎo)，所發(fā)布的產(chǎn)品在區(qū)域內(nèi)認(rèn)可度不高，各省接收和應(yīng)用區(qū)域數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的效率不盡人意。在區(qū)域模式的技術(shù)路線選擇方面，國家級、華南和西北區(qū)域中心選擇GRAPES模式，其他區(qū)域中心選擇WRF模式，依舊存在不集約的現(xiàn)象。

3.3 區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)開放合作機(jī)制尚未建立

國家和區(qū)域中心兩級數(shù)值預(yù)報技術(shù)體系與研發(fā)組織體系尚不夠集約與協(xié)調(diào)。由于各單位模式研發(fā)改進(jìn)的方向主要是針對本區(qū)域的業(yè)務(wù)需求，雖然各有側(cè)重，但任務(wù)較為分散，且任務(wù)之間的銜接不夠，研發(fā)成果難以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域共享。另外，國家級和區(qū)域級數(shù)值預(yù)報開放協(xié)作力度仍顯不足，國內(nèi)外科研院所、高校對區(qū)域模式發(fā)展的參與仍然有限，國家氣象數(shù)值預(yù)報模式合力發(fā)展的格局和機(jī)制尚未形成。

3.4 數(shù)值預(yù)報整體隊(duì)伍體量偏小，高層次人才短缺

現(xiàn)階段，國家級和8個區(qū)域中心已經(jīng)擁有數(shù)值預(yù)報專業(yè)隊(duì)伍，有了一定的技術(shù)研發(fā)能力。但總體上講，由于我國數(shù)值預(yù)報相應(yīng)的高等教育弱化，造成數(shù)值預(yù)報后備人才嚴(yán)重不足，尤其是模式研發(fā)隊(duì)伍中高層次人才短缺，具有模式體系整體設(shè)計能力的高級專家更為缺乏，導(dǎo)致一些關(guān)鍵性的技術(shù)難題遲遲未能攻克，科技創(chuàng)新能力略顯不足。特別是西部省份，模式的發(fā)展僅僅停留在應(yīng)用層面，無法對模式進(jìn)行持續(xù)深入的改進(jìn)和完善。

3.5 高性能計算能力不能完全滿足區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)發(fā)展需求

近年來，區(qū)域高性能計算能力已經(jīng)得到大幅度提升，但部分區(qū)域中心受計算能力的限制，導(dǎo)致快速同化更新系統(tǒng)和中尺度集合預(yù)報系統(tǒng)的升級延遲。受計算能力的限制，目前只能保證業(yè)務(wù)使用，還不能完全保障有關(guān)模式科學(xué)研究使用。海量數(shù)據(jù)與有限存儲空間和網(wǎng)絡(luò)速度的矛盾仍然存在。

4 發(fā)展建議和對策

4.1 注重創(chuàng)新驅(qū)動，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)

面對未來氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，國際主流區(qū)域模式的水平分辨率和預(yù)報更新頻次將進(jìn)一步提高，這其中涉及到許多前沿技術(shù)問題需要我們?nèi)フJ(rèn)識和解決。要想加強(qiáng)對區(qū)域模式發(fā)展中科學(xué)問題的認(rèn)識，在高精度模式動力框架、精細(xì)化物理過程、復(fù)雜地形處理、稠密資料同化等核心技術(shù)方面，要強(qiáng)化攻關(guān)力度，發(fā)展區(qū)域集合預(yù)報業(yè)務(wù)，牢固樹立業(yè)務(wù)應(yīng)用為目標(biāo)的發(fā)展思路，重點(diǎn)提升區(qū)域模式對暖區(qū)暴雨、颮線等強(qiáng)對流過程以及雨雪、冰雹等降水相態(tài)的預(yù)報能力，提高區(qū)域模式對智能網(wǎng)格預(yù)報、短時臨近預(yù)報、災(zāi)害性天氣預(yù)報、環(huán)境氣象預(yù)報和重大活動氣象保障等業(yè)務(wù)服務(wù)的支撐能力。

4.2 加強(qiáng)頂層設(shè)計，強(qiáng)化科學(xué)管理

注重區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的頂層設(shè)計和統(tǒng)籌布局，進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域數(shù)值預(yù)報的集約化發(fā)展。另外，要充分發(fā)揮國家級和華北、華東和華南區(qū)域氣象中心的技術(shù)引領(lǐng)和研發(fā)組織作用，通過項(xiàng)目牽引和政策導(dǎo)向，在國家級華北、華東和華南組建跨區(qū)域、有特色的聯(lián)合研發(fā)平臺，積聚數(shù)值預(yù)報的優(yōu)勢力量，共同參與區(qū)域模式的集中研發(fā)和重點(diǎn)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)研發(fā)成果的互惠共享；健全區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)管理，明確區(qū)域數(shù)值預(yù)報的業(yè)務(wù)組織、業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)升級、運(yùn)行保障等職責(zé)和任務(wù)；完善區(qū)域數(shù)值預(yù)報考評方法，建立以提升業(yè)務(wù)能力為導(dǎo)向的考評管理制度，有效引導(dǎo)和科學(xué)評價數(shù)值預(yù)報的研發(fā)和業(yè)務(wù)工作；在現(xiàn)有體制下，在高性能計算機(jī)資源、人力資源、經(jīng)費(fèi)等方面給予全方位的支持，為數(shù)值預(yù)報發(fā)展持續(xù)提供良好的環(huán)境和條件[5]。

4.3 堅(jiān)持人才戰(zhàn)略，推動合作交流

穩(wěn)定數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展隊(duì)伍，引進(jìn)并加強(qiáng)對數(shù)值預(yù)報專業(yè)人才的培養(yǎng)。國家級和華北、華東和華南區(qū)域氣象中心要依托區(qū)域數(shù)值預(yù)報聯(lián)合研發(fā)平臺，有計劃地選拔其他區(qū)域中心和相關(guān)省局?jǐn)?shù)值預(yù)報青年骨干人才參與集中研發(fā)，凝聚和造就一批數(shù)值預(yù)報骨干隊(duì)伍。同時，效仿國外先進(jìn)數(shù)值中心的經(jīng)驗(yàn)，吸引眾智，利用當(dāng)前國家和部門在科技人才方面的新政策，建立雙方互利的合作機(jī)制，組織部門內(nèi)外優(yōu)勢力量和引導(dǎo)國際優(yōu)勢資源，圍繞衛(wèi)星資料同化、動力框架、物理過程、產(chǎn)品后處理、檢驗(yàn)評估等的關(guān)鍵技術(shù)開展聯(lián)合攻關(guān)，推動區(qū)域數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。

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