潘 嵩
(國家海洋信息中心,天津 300171)
準確的海洋預報是保證一切海上活動順利開展的基礎,社會經濟和國防軍事活動對海洋環(huán)境信息的需求驅動著海洋預報技術的不斷發(fā)展。社會經濟活動對海洋預報的需求包括:海洋環(huán)境要素業(yè)務化預報,區(qū)域和全球氣候變化預測及研究,海上航運、漁業(yè)、旅游、石油天然氣開采等活動的保障服務,海上搜救、溢油等應急管理支撐。國防軍事活動對海洋預報的需求有:艦艇的航行安全、作戰(zhàn)訓練、武器裝備性能的發(fā)揮、維護國家海上權益、海外救援等。正因諸多涉海部門對海洋環(huán)境預報的需求有著諸多重合的方面,使之成為海洋領域跨部門合作的一個重要切入點。本文嘗試在介紹目前美國海洋環(huán)境預報跨部門合作歷史及現(xiàn)狀的基礎上,從中得到一些做好我國海洋環(huán)境預報領域跨部門合作的良好借鑒。
美國在環(huán)境預報方面的跨部門合作最早起源于天氣預報領域。1954年美國國家氣象局聯(lián)合空軍、海軍的氣象服務機構組成了聯(lián)合數(shù)值天氣預報中心(Joint Numerical Weather Prediction Unit),但該機構僅運行了4年即告夭折,隨后上述三方分別組建了自己的數(shù)值天氣預報力量。1964年,聯(lián)邦氣象辦公室(Office of the Federal Coordinator for Meteorology,OFCM)宣告成立,雖然該組織在氣象雷達研制、熱帶氣旋研究等領域取得了一定進展,但也未能起到最初預想的聯(lián)合各方研究力量的作用。
自20世紀90年代以來,隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)海量化、數(shù)值預報系統(tǒng)功能多樣化和計算資源大型化,數(shù)值天氣預報機構的規(guī)模不斷擴大。數(shù)值天氣預報模式的發(fā)展也呈現(xiàn)專業(yè)化趨勢,逐步衍生出高分辨率中尺度模式、全球模式、氣候模式等,同時由確定性預報向集合概率型預報轉變。需求方面,社會經濟和國防軍事活動對天氣預報的準確度、時效性要求越來越高,定制化、精細化數(shù)值天氣預報服務不斷涌現(xiàn)。而各預報機構之間的交流合作卻停滯不前,甚至在部門機構內部出現(xiàn)經費資助的不良競爭。因此,組建跨機構聯(lián)合預報單位的計劃又再次被提及。在此期間,美國國會通過立法和行政手段,推動了一系列機構間合作計劃的實施。
美國國會于1996年實施了國家海洋學伙伴關系計劃(National Oceanographic Partnership Program,NOPP)。該計劃的目標是通過提高對海洋的認知,來為國防安全、經濟發(fā)展、國民生活水平提高、教育和科普等領域服務。美國國防部下屬的陸軍工程兵部隊(United States Army Corps of Engineers,USACE)、海岸警衛(wèi)隊(United States Coast Guard,USCG) 和海軍研究局(Office of Naval Research) 作為主要成員參與其中。NOPP的一個重要貢獻是在美國全球海洋數(shù)據(jù)同化實驗計劃(U.S.Global Ocean Data Assimilation Experiment,U.S.GODAE) 的資助下,通過建立部門間合作機制,建設了基于HYCOM模式的海洋預報系統(tǒng),該系統(tǒng)現(xiàn)已用于美國海軍和美國國家天氣預報中心的業(yè)務化預報工作。
2000年,美國氣候變化與可預測性研究計劃 (US Climate Variability and Predictability,USCLIVAR)實施,海軍研究局是其主要資助單位之一。該計劃關注全球氣候在不同時間尺度的可變性和可預測性,重點關注海洋在氣候變化中所起作用。美國CLIVAR計劃擴充了于1989年實施的全球變化研究項目(US Global Change Research Program,USGCRP) 的內容,并向聯(lián)合國氣候研究計劃(the World Climate ResearchProgram,WRCP)提供相關的研究成果。
2010年,環(huán)境資源與可持續(xù)利用委員會(Committee on Environment,Natural Resources,and Sustainability,CENRS) 在美國國家科學技術委員會(National Science and Technology Council,NSTC) 指導下成立。該組織成立旨在推動自然環(huán)境、自然資源和可持續(xù)利用領域的科技研發(fā)、成果應用與交流合作。在CENRS的框架下,一些下屬的專業(yè)委員會也相繼成立,涉及空氣質量、極地研究、防災減災、水資源管理、海洋科學、地球觀測等領域[1]。
同時,在具體個案合作層面,美國也做出了一些嘗試,這其中具有代表性的當屬美國國家環(huán)境預報中心(National Center for Environmental Prediction,NCEP) 和海軍艦隊數(shù)值氣象海洋中心(Fleet Numerical Meteorology and Oceanography,F(xiàn)NMOC) 聯(lián)合發(fā)布的集合風浪預報產品NFCENS(NCEP-FNMOC multicenter wind-wave ensemble system)。NFCENS整合了來自FNMOC和NCEP的有效波高預報產品。兩者均采用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ,采取相同的模式配置和計算區(qū)域,區(qū)別在于兩者使用的氣象驅動場來自不同的天氣預報系統(tǒng)[2]。
但是,以上這些計劃和項目的實施沒能從根本上解決各機構間研發(fā)和業(yè)務化運用等方面的合作問題。因此,美國海洋與大氣管理局、空軍、海軍三方于2008年簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,共同發(fā)起了國家統(tǒng)一業(yè)務化預報能力計劃(National Unified Operational Prediction Capability,NUOPC)[3]。
NUOPC計劃旨在通過建立各機構之間的合作,統(tǒng)籌考慮各方共性需求,將業(yè)務化預報、科學研究納入統(tǒng)一框架內,建立國家層面的多模塊集合預報系統(tǒng),將參與合作各方合計60多種全球氣象模式預報產品整合為統(tǒng)一空間分辨率和時間序列。該計劃設想使用聯(lián)合集成預報達到以下效果:(1)顯著提高預報精度;量化、減少預報不確定性;(2)提供最大概率預報,如極端天氣預報;(3)提供專題集合預報產品;(4)為地區(qū)和局部高分辨率預報提供服務;(5)為其他下游模式和決策提供服務;(6)制定國家層面的研究規(guī)劃,吸納更多研究團隊加入;(7)通過成果轉化體制創(chuàng)新,加速高新技術在各自業(yè)務中心的業(yè)務化應用。
NUOPC成員由美國國家大氣與海洋管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)、美國海軍 (U.S.Navy)、美國空軍(U.S.AirForce)各自相關的業(yè)務機構組成。
NOAA下屬的國家氣象局(NationalWeather Service,NWS) 提供氣象、水文和氣候預報預警服務,保護民眾人身和財產安全,保障國家經濟發(fā)展。美國國家氣象局的數(shù)據(jù)和產品構成了國家級的信息數(shù)據(jù)庫和基礎設施,供其他政府機構、私人部門、公眾和國際組織使用。其下屬的國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP) 負責氣象數(shù)據(jù)歸口管理,供用戶分析、制作種類繁多的環(huán)境保障信息產品。同時,NCEP還負責將這些保障、預報、預警和分析產品分發(fā)到眾多的用戶和合作機構。
美國海軍海洋學家組織(The Oceanography of the Navy)與海軍氣象學與海洋學司令部(Commander Naval Meteorology and Oceanogra phy Command,CNMOC) 緊密合作,致力于美國海軍海洋學計劃(Naval Oceanography Program)的施行。艦隊數(shù)值氣象水文中心FN MOC提供每6 h的全球氣象和海洋數(shù)值和預報產品,保證艦隊安全、作戰(zhàn)效率和國家安全。
空軍氣象局(Air Force Weather Agency,AFWA)是美國空軍的氣象業(yè)務領導機構,其任務是利用及時的、精確的和相關的氣象信息使得美軍在任何時刻、任何地點的實力最大化。AFWA將及時準確可靠的環(huán)境狀況信息提供給空軍、陸軍、聯(lián)合作戰(zhàn)人員、聯(lián)合指揮部、國家智庫機構和國防部長。AFWA構建了一個綜合氣象數(shù)據(jù)中心,整合了預報、氣候態(tài)和太空氣象產品,這些產品和服務被國防部用于全球軍事行動、緊急任務執(zhí)行等。
NUOPC的組織架構見圖1。NUOPC通過設立一系列跨部門的專業(yè)委員會和工作小組來保證各方的運轉,其中包括技術轉化委員會(Technology Transition Processes Committee,TTP)、通用模式架構委員會(Common Model Architecture Committee,CMA)、標準委員會(Content Standards Committee,CSC)、統(tǒng)一運行委員會(Unified Ensemble Operation Committee,UEO),本文在這方面做著重介紹。
圖1 NUOPC組織架構
技術轉化委員會TTP負責在其他研究團體和成員的研發(fā)業(yè)務中心之間建立良好的合作和互動機制,使得成員能夠在最短時間內得益于最近的研究成果。TTP的主要工作包括:(1)基于業(yè)務需求制定國家研發(fā)戰(zhàn)略;(2)擴展與其他研究團體的合作;(3)建立標準化的配置管理和技術轉化流程;(4)出臺新技術適用性評價標準。
技術轉化委員會TTP下設三個附屬機構:(1)研究需要專家小組:協(xié)助制定國家研發(fā)戰(zhàn)略,管理NUOPC的伙伴關系計劃;(2)研究轉化團隊,執(zhí)行轉化程序,審查各機構的配置管理需求,管理NUOPC的訪問學者計劃;(3)科學標準專業(yè)委員會:制定統(tǒng)一的預報結果評估標準和方法。技術轉化委員會成員由三個成員機構和國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR),國家航天航空局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)以及其他科學團體的代表組成。
通用模式架構委員會CMA負責定義一個具有可拓展性的實體架構,用來實現(xiàn)天氣預報各個組分之間的可互動性。該實體架構被定義為科學意義上的組分集合,需要明確各個組分包含的流程及與其他組分之間的關系。CMA成員來自各大模式研發(fā)機構,如NOAA的環(huán)境模式中心(EnvironmentalModelingCenter,EMC)、地球物理流體動力學實驗室(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory,GFDL) 和地球系統(tǒng)研究實驗室(Earth System Research Laboratory,ESRL)、海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory,NRL)、NASA 的太空飛行中心全球建模與同化辦公室(Goddard Space Flight Center Global Modeling and Assimilation Office,GMAO)以及來自大學相關領域的研究團隊。
標準委員會CSC主要負責NUOPC互用性標準的建立和完善,如元數(shù)據(jù)、文檔、物理常數(shù)和其他需要通用數(shù)值和格式的領域。標準委員會需要與地球系統(tǒng)模型框架系統(tǒng)(Earth System Modeling Framework,ESMF) 的核心開發(fā)團隊(Core Development Team,CDT) 進行協(xié)調,確保系統(tǒng)的開發(fā)符合相關的標準。同時,CSC需要與CMA合作,保證制定的標準能夠適用于未來的預報系統(tǒng)。標準委員會成員由三個成員機構的業(yè)務中心和研發(fā)機構,其他政府機構如美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)、國家能源部(DepartmentofEnergy,DOE)、聯(lián)邦航空管理局(FederalAviationAdministration)、國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)以及大學的相關領域研究團隊組成。
統(tǒng)一運行委員會的職責是確保上述三個委員會在具體問題上的協(xié)同合作,包括信息安全和網絡運行(Information Assurance and Network Operations)、集合預報產品制作(Ensemble Production)、集合產品后期處理(Ensemble Post-Production)。UEO針對上述三個方面設立對應的工作小組,并在成員機構派駐具有專業(yè)背景的代表。
2010年,在起初NUOPC的基礎上,通過新增成員機構美國宇航局(NASA)、國家能源部(DoE)和國家科學基金會(National Science Foundation,NSF),美國發(fā)起了地球系統(tǒng)預報能力計劃(The Earth System Prediction Capability,ESPC)。該計劃旨在促進聯(lián)邦政府資助的各研究機構和業(yè)務預報團體的合作,通過數(shù)據(jù)融合技術整合全美的全球氣象模式,利用高性能大型計算能力,耦合各類海洋、陸地、冰和空間模式,建立和發(fā)展一個綜合性的地球物理預報系統(tǒng),提升全球氣候和天氣預報的業(yè)務能力和科研水平。ESPC的建設目標如下:(1)通過數(shù)據(jù)融合、模式耦合技術建立一個集合預報系統(tǒng);(2)設計一套能夠滿足各成員能力需要的統(tǒng)一的規(guī)范標準;(3)為制定全國性的提升預報能力的研究規(guī)劃提供幫助;(4)致力于政府機構、研究團體之間的學術交流[4]。
由于NUOPC和ESPC之間在工作內容和成員上有很多重合,2014年NUOPC與ESPC正式合并為國家地球系統(tǒng)預報能力計劃(National ESPC,N-ESPC)。與ESPC相比,除了繼續(xù)強調提高各機構之間的合作之外,N-ESPC更加看重滿足不同成員機構對不同時間尺度的預報要求:從天氣尺度、亞季節(jié)尺度、季節(jié)季度、年際尺度再到氣候尺度,從交通運輸、應急管理、農業(yè)生產、能源開發(fā)、水資源利用等民用領域到國防安全、海上軍事行動等軍事領域 (圖 2)。
圖2 決策需求與預報時間尺度對應關系
由于不用部門對預報的空間和時間尺度的需求差異,目前的技術還不足以開發(fā)一個能夠實現(xiàn)時空跨度如此廣闊的獨立預報系統(tǒng),因此N-ESPC的最終目標是將不同時間尺度、不同分辨率的預報系統(tǒng)進行整合,形成一套基于多套數(shù)值預報模式的組系統(tǒng),實現(xiàn)對地球系統(tǒng)的所有圈層(大氣、海洋、陸地)的物理現(xiàn)象的數(shù)值模擬,從而為不同機構和個人提供現(xiàn)實和預報信息產品服務。為了達到這個目標,該組系統(tǒng)需要建立一個通用的模型架構來保證各組分之間的互通性,同時還要做好通過數(shù)據(jù)同化、數(shù)值模擬、后處理、產品制作等多方面的網絡整合工作。
NSF作為國家戰(zhàn)略計算倡議(NationalStrategic Computing Initiative,NSCI) 的領導機構,委托其下屬的地球科學理事會(Geoscience Directorate) 負責N-ESPC中的數(shù)據(jù)同化和預測科學的相關工作,負責為N-ESPC掃除分布式計算、存儲以及集合預報中的技術障礙。
NASA擁有的大量觀測數(shù)據(jù)、強大的計算模型、數(shù)據(jù)同化技術和再分析技術,這對于地球系統(tǒng)模式來說至關重要。如NASA和DOE合作的模型比對觀測計劃(Observation for Model Intercomparisons Project),NASA的數(shù)據(jù)在模型-觀測比對中發(fā)揮了重要作用。NASA的數(shù)據(jù)同化技術有利于新興衛(wèi)星遙感傳感器的研發(fā)和評估,并加速它們的業(yè)務化應用。NASA已經發(fā)布了MERRA、MERRA-2系列再分析產品用于氣候評估,涵蓋了許多水文學要素。
NOAA的下一代全球預報系統(tǒng)(Next-Generation Global Prediction System,NGGPS) 能夠通過對現(xiàn)有預報系統(tǒng)的改進,如應用新的數(shù)據(jù)同化技術、優(yōu)化軟件架構和完善系統(tǒng)工程等手段,提高天氣預報的精度,從而為N-ESPC的組系統(tǒng)提供天氣尺度的貢獻。國家多模式集合系統(tǒng) (National Multi-model Ensemble,NMME)為通過分布式計算提高年度尺度的預報能力提供了良好借鑒。在NMME的機制下,參與的模式具有兩用特征(dual-use):一方面加深了科學理解,另一方面為官方提供了與較長時間尺度匹配的可信度的預測結果。
DoE的改進型能源氣候模式(AdvancedClimate Model for Energy,ACME) 專注于氣候變化下的水循環(huán)、生物化學、低溫系統(tǒng)方面的研究。ACME的時間跨度為過去40年至未來40年,同時兼顧了季節(jié)尺度和亞年代際尺度。ACME更大的意義在于技術上的突破,通過優(yōu)化代碼和庫,在減少了電量消耗的同時提高了程序的運行效率。ACME將是N-ESPC組系統(tǒng)的重要一環(huán)。它的空間高分辨率和冰凍圈-海洋圈相互作用將為科學決策提供科學預測。
海軍負責推動耦合全球地球系統(tǒng)預測,資助研究領域包括:耦合計算、數(shù)據(jù)同化和模式開發(fā)等。各成員機構主要職責見表1。
表1 N-ESPC中各成員機構職責
N-ESPC的執(zhí)行領導小組(ExecutiveSteering Group,ESG) 是最高領導機構,通過聯(lián)合各參與機構力量,推進計劃的總體進度,并對項目辦公室(National ESPC Project Office) 和代表進行監(jiān)督和指導。ESG實行輪值主席制度,由各機構負責業(yè)務化數(shù)值預報的負責人輪流擔任,任期三年。
機構聯(lián)絡人(Agency Liaisons) 作為機構負責人的代理人,負責N-ESPC倡議項目中的協(xié)調工作。機構聯(lián)絡人需要表達自己機構在計劃、合作和執(zhí)行方面的訴求,同時為其他機構的項目和經理提供必要的幫助。機構聯(lián)絡人負責向機構負責人和項目經理定期匯報。
項目經理(Project Manager) 作為ESG的決策執(zhí)行者,總體負責N-ESPC的管理工作:如制定工作計劃,關注和匯報決策實施的總體進度,資源分配和項目資助等。項目經理實行輪值制度,任期三年。同時還設置項目副經理(Deputy Project Manager) 與研發(fā)副經理(Associate Project Manager for Research and Demonstration),協(xié)助項目經理開展工作,任期與項目經理相同,但不能與項目經理來自同一機構。
圖3 N-ESPC組織架構
經過近10年的努力,N-ESPC取得了可觀的合作成果,主要包括:建立了一套統(tǒng)一的地球系統(tǒng)模式框架結構;形成了多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化合作機制;初步整合集成了各方的海洋、波浪、陸地、海冰和冰川模式;開發(fā)了輻射傳輸模型、氣候和相關生化模型等大氣模式組件等。同時為了檢驗整個跨機構合作機制的實際運行效果,N-ESPC還分別針對不同的海氣相互作用自然現(xiàn)象,啟動了極端天氣事件、季節(jié)性熱帶氣旋威脅、北極海冰范圍及季節(jié)性無冰日、近岸赤潮、大西洋近岸翻轉流等5個預報演示項目并取得了良好的示范效果。
加強頂層設計規(guī)劃。美國天氣和海洋預報領域的跨部門合作,亦是在國會通過立法和行政手段加強干預后步入正軌的。隨著我國海防戰(zhàn)略向“近海防御、遠海防衛(wèi)”轉型以及海洋經濟在整個社會經濟發(fā)展中的地位增強,理應將海洋預報跨部門融合上升為國家意志,集中力量開展該領域的專題研究分析,基于研究分析成果制定海洋預報領域跨部門發(fā)展中遠期規(guī)劃。
建立高層協(xié)調機制。我國可借鑒NUOPC和N-ESPC的經驗,成立多部門聯(lián)合協(xié)調機制,組建相應領導機構。指派具備專業(yè)背景的人員總體負責機構運維,對接參與協(xié)調機制的各方的個性與共性需求,在不干擾各自正常業(yè)務工作的前提下,著重建立和完善溝通聯(lián)絡體系,統(tǒng)籌各方資源和行動,減少溝通成本和資源浪費。同時注重吸納各部門優(yōu)秀智力資源,組建跨部門專業(yè)委員會或技術專家團隊,在領導機構統(tǒng)一管理下提供專業(yè)咨詢建議。
加速研發(fā)成果轉化。建立健全相應配套政策和機制,加速研發(fā)成果轉化。充分對接實際需求,提煉研發(fā)項目清單,聯(lián)合制定轉化計劃,確保在功能需求、完成時限和與現(xiàn)有業(yè)務兼容性等方面達成一致。在新技術或系統(tǒng)進行部署后,應用團隊應及時進行效果反饋,以便研發(fā)團隊進行改進,從而推進各方海洋預報的業(yè)務化融合。
加快關鍵技術突破。通過應用數(shù)據(jù)同化將多源觀測數(shù)據(jù)充分應用在模式計算中,提升預報初始場和參數(shù)化方案的質量;通過在統(tǒng)一框架內建立大氣-海洋-海浪-海冰-陸地的耦合,建立地球動力環(huán)境預報組系統(tǒng);通過采用集合預報模式,最大限度降低預報不確定性;通過采用分布式計算等方法,基于高效安全的網絡傳輸環(huán)境,實現(xiàn)各方計算資源的充分整合。