沈?qū)W順 陳起英 孫 健 韓 威 龔建東 李澤椿 王建捷

1 中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心，北京 100081 2 國家氣象中心，北京 100081

提 要： 回顧中央氣象臺全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展歷程,重點(diǎn)回顧和綜述中央氣象臺建立全球預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)以來的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，概括了引進(jìn)的譜模式系列在本地化、業(yè)務(wù)應(yīng)用及發(fā)展過程中取得的成就，著重介紹在自主發(fā)展GRAPES_GFS全球中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)的不同階段取得的科技成果。

引 言

全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)是數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系的核心，既為區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供邊界條件和背景信息，也是全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。全球中期預(yù)報(bào)模式和同化技術(shù)的不斷發(fā)展在很大程度上推動(dòng)了世界數(shù)值預(yù)報(bào)整體研究和預(yù)報(bào)水平的不斷提高(Bauer et al,2015)。因此，發(fā)展和不斷改進(jìn)全球中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)得到世界各天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中心的高度重視(Melvin et al,2019;Kühnlein et al,2019)。

中國自1954年開始數(shù)值預(yù)報(bào)研究，是國際上較早開展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的國家之一(顧震潮,1959；Blumen and Washington,1973)。在20世紀(jì)60年代，中央氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)組曾經(jīng)應(yīng)用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式制作亞歐范圍內(nèi)24 h和48 h的500 hPa形勢預(yù)報(bào)(中央氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)組，1965)。20世紀(jì)70年代后期，中央氣象臺與中國科學(xué)院大氣物理研究所、中央氣象局氣象科學(xué)研究所和北京大學(xué)合作，先后業(yè)務(wù)運(yùn)行亞歐區(qū)域3層原始方程絕熱模式(當(dāng)時(shí)稱為A模式，1980年開始發(fā)布48 h形勢預(yù)報(bào))、北半球5層格點(diǎn)模式(當(dāng)時(shí)稱為B模式，1982年業(yè)務(wù)運(yùn)行；陶詩言等，2003)和一個(gè)有限區(qū)域的5層格點(diǎn)模式(當(dāng)時(shí)稱為B小模式，1982年業(yè)務(wù)運(yùn)行)，以及有限區(qū)域LAFS(Limited Area Analysis and Forecast System) 和HLAFS(High-Resolution LAFS)模式(郭肖容等，1995；閆之輝等，1997)。這些系統(tǒng)形成了自動(dòng)化程度較高的短期數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)能力。但由于各方面條件所限，特別是計(jì)算機(jī)條件的限制，并未形成全球預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)能力。

雖然建立了短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了社會(huì)和部門內(nèi)的需求。1975年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium Range Weather Forecast，ECMWF)的成立以及隨后成功開展的全球中期業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大影響。因此，20世紀(jì)80年代初，國家氣象局做出發(fā)展中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的決策，并開展了調(diào)研和籌備工作，將國家氣象中心氣象臺數(shù)值科擴(kuò)建成國家氣象中心數(shù)值室，拉開了建立全球中期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的大幕。當(dāng)時(shí)，建立中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)涉及通信、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、土建工程諸多方面。在20世紀(jì)90年代初，先后引進(jìn)了國產(chǎn)銀河-Ⅱ、美國CRAY C90、CYBER 992大型計(jì)算機(jī)，解決了運(yùn)行全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高性能計(jì)算問題?！捌呶濉逼陂g，引進(jìn)了ECMWF的全球譜模式，并進(jìn)行本地化開發(fā)，在國產(chǎn)銀河大型機(jī)上建立了T42L9(T是triangular首字母縮寫，表示是采用三角截?cái)嗟淖V模式；L是layer的首字母的縮寫，表示垂直層次)全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并于1991年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。CYBER機(jī)的引進(jìn)使得中期數(shù)值預(yù)報(bào)由原來的T42L9很快升級到T63L16并開展試驗(yàn)，最后在銀河與CRAY上形成T63全球數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，于1995年業(yè)務(wù)運(yùn)行，產(chǎn)品下發(fā)全國?！捌呶濉睍r(shí)的技術(shù)路線是引進(jìn)、消化、吸收、改造和創(chuàng)新，經(jīng)過業(yè)務(wù)試驗(yàn)、準(zhǔn)業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)幾個(gè)階段，中國的中期數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中國氣象業(yè)務(wù)部門扎下了根。不少潛心鉆研數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)報(bào)員，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，熟悉這些方案性能，運(yùn)用T42、T63等都做出了精彩的預(yù)報(bào)。這些成功經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)T系列譜模式的技術(shù)改進(jìn)和分辨率的不斷提高奠定了技術(shù)和科技人才的基礎(chǔ)。1997年，系統(tǒng)升級為T106L19，2000年實(shí)現(xiàn)了T106L19集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)化；2003年，分辨率進(jìn)一步升級為T213L31，2006年實(shí)現(xiàn)了臺風(fēng)路徑和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行；2008年，譜模式完成了動(dòng)力框架和物理過程的升級改造，分辨率升級為TL639L60[TL是指采用線性(linear)格點(diǎn)的三角截?cái)嗟淖V模式]，2014年實(shí)現(xiàn)了TL639L60臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)和集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化。20世紀(jì)90年代該系統(tǒng)的建立標(biāo)志著中國具備了從全球中期到區(qū)域短期的現(xiàn)代化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和服務(wù)能力，為之后開展自主研發(fā)工作奠定了重要基礎(chǔ)。

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，中國氣象局對未來數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的技術(shù)路線進(jìn)行了戰(zhàn)略調(diào)整，由引進(jìn)為主轉(zhuǎn)為自主開發(fā)為主，開啟了中國新一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的自主研發(fā)之路。2001年開始，在科學(xué)技術(shù)部“十五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“中國氣象數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)創(chuàng)新研究”支持下，中國氣象局聯(lián)合多家單位，自主研究并初步建立了新一代多尺度通用資料同化與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global/Regional Assimilation Prediction System,GRAPES;薛紀(jì)善和陳德輝，2008)。隨后，在科技部“十一五”“十二五”科技支撐計(jì)劃以及中國氣象局GRAPES專項(xiàng)的連續(xù)支持下，對GRAPES模式和同化進(jìn)行了持續(xù)的改進(jìn)，研制了基于預(yù)估修正算法的新GRAPES模式，發(fā)展了全球四維變分同化和適應(yīng)于千米尺度的三維變分同化系統(tǒng)，發(fā)展了系列衛(wèi)星資料同化技術(shù)。持續(xù)攻關(guān)成果的積累和在業(yè)務(wù)環(huán)境下研發(fā)與業(yè)務(wù)各方面的錘煉，逐步建成了從區(qū)域3～10 km到全球25～50 km分辨率的確定性與集合預(yù)報(bào)的完整數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)體系，并鍛煉培養(yǎng)出一支數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)全鏈條(即從觀測資料前處理和質(zhì)量控制、資料同化、模式動(dòng)力框架和物理過程、模式并行計(jì)算到模式系統(tǒng)集成、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品后處理等)研發(fā)隊(duì)伍。

在“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目成果GRAPES全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于2007年7月開始GRAPES全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES_GFS(Global Forecast System)的業(yè)務(wù)化。 首先結(jié)合GRAPES_Meso的業(yè)務(wù)化成果，研發(fā)了適用于全球業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的動(dòng)力框架、物理過程以及全球衛(wèi)星資料的系列同化應(yīng)用技術(shù)。全球模式是基于區(qū)域模式同樣的架構(gòu)與算法，在區(qū)域模式基礎(chǔ)上擴(kuò)展而研發(fā), 區(qū)域系統(tǒng)的四維變分分析系統(tǒng)(4DVar),也為全球4DVar研發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。2009年3月實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行(沈?qū)W順等，2009)，這是GRAPES_GFS的第一個(gè)版本(GRAPES_GFS 1.0)，水平分辨率為0.5°×0.5°，垂直方向?yàn)?6層，預(yù)報(bào)效果超過了當(dāng)時(shí)國家氣象中心業(yè)務(wù)運(yùn)行的T213系統(tǒng)。這期間建立了全球多衛(wèi)星平臺資料的業(yè)務(wù)接收和處理流程，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的自主創(chuàng)新發(fā)展也帶動(dòng)了氣象業(yè)務(wù)全鏈條的進(jìn)步。

GRAPES_GFS 1.0的成功研發(fā)，使中國有了第一個(gè)自主發(fā)展的、能夠穩(wěn)定運(yùn)行的、結(jié)果合理的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)。接下來，從模式動(dòng)力框架和物理過程、變分同化框架和衛(wèi)星資料同化應(yīng)用等關(guān)鍵問題著手，實(shí)施了相關(guān)深化改進(jìn)工作。這些工作包括物理過程的全面升級，模式空間GRAPES三維變分同化系統(tǒng)的研發(fā)和業(yè)務(wù)應(yīng)用，以及更多衛(wèi)星資料的同化應(yīng)用(沈?qū)W順等，2017)。在此過程中，針對GRAPES_GFS全球模式框架中影響計(jì)算精度和穩(wěn)定性的問題，研發(fā)了垂直方向非插值半拉格朗日算法、W-damping、高精度水汽平流計(jì)算、平流層瑞利摩擦等技術(shù)方案，大幅度提高了模式框架的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，GRAPES_GFS由1.0升級為2.0版本，模式分辨率提高為水平0.25°×0.25°，垂直方向?yàn)?0層。2015年年底GRAPES_GFS 2.0通過業(yè)務(wù)化驗(yàn)收，預(yù)報(bào)性能超過當(dāng)時(shí)國家氣象中心業(yè)務(wù)運(yùn)行的TL639L60系統(tǒng) (沈?qū)W順和王建捷，2015)。

2008年開始研發(fā)GRAPES全球四維變分同化系統(tǒng)(4DVar)，2018年7月在GRAPES_GFS 2.0中實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)應(yīng)用。全球GRAPES-4DVar業(yè)務(wù)的應(yīng)用代表了中國全球中期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要技術(shù)進(jìn)步。GRAPES-4DVar成功的原因，一方面在于解決了業(yè)務(wù)應(yīng)用中存在的計(jì)算效率、觀測剖分、多次外循環(huán)更新等技術(shù)細(xì)節(jié)問題，解決了4DVar的線性化物理過程等關(guān)鍵科學(xué)難題；另一方面,在一個(gè)預(yù)報(bào)性能穩(wěn)定且較為成熟的全球預(yù)報(bào)平臺(GRAPES_GFS 2.0)上的“迭代式”開發(fā)也起到了非常重要的作用。有關(guān)GRAPES-4DVar的具體科學(xué)技術(shù)細(xì)節(jié)可參考Zhang et al(2019)。2018年7月帶有GRAPES-4DVar的GRAPES_GFS 2.4版本實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)運(yùn)行。GRAPES-4DVar的業(yè)務(wù)運(yùn)行標(biāo)志著中國業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化技術(shù)水平邁入國際前列，國家氣象中心成為國際上少數(shù)具有自主研發(fā)和業(yè)務(wù)應(yīng)用4DVar的國家級預(yù)報(bào)中心之一。

1 譜模式全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展和業(yè)務(wù)應(yīng)用

1.1 引進(jìn)為主的初期發(fā)展階段

1981年，根據(jù)中國當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)條件和數(shù)值預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀，引進(jìn)了ECMWF的T42譜模式和美國國家氣象中心的多元最優(yōu)插值客觀分析方案。在消化吸收的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)情況加以改進(jìn)和提高，最后建成了一個(gè)完備的、自動(dòng)化水平較高的中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。這是中央氣象臺第一代具有中等分辨率T42L9(2.8125°，約為300 km)的全球模式，于1990年1月1日先在M-360計(jì)算機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行(每日進(jìn)行2次同化，1次2 d北半球預(yù)報(bào))，于1991年9月12日在CYBER 992計(jì)算機(jī)上投入正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，并向全國發(fā)送數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。該系統(tǒng)每日進(jìn)行4次同化，1次5 d預(yù)報(bào)。該系統(tǒng)的建成填補(bǔ)了中國在中期數(shù)值預(yù)報(bào)領(lǐng)域的空白，使中國步入了當(dāng)時(shí)世界上少數(shù)幾個(gè)能開展中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的國家行列(李澤椿，2010)。

經(jīng)過國家“七五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目和延續(xù)項(xiàng)目的支持，第二代中期天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式T63L16(1.875°，約為200 km)于1994年6月1日投入準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行，它是在20世紀(jì)80年代中后期引進(jìn)的ECMWF的業(yè)務(wù)譜模式T106L19的基礎(chǔ)上改造的。隨著新巨型機(jī)CRAY C92的安裝，于1995年6月1日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。該系統(tǒng)每日進(jìn)行4次同化，1次7 d預(yù)報(bào)，并為臺風(fēng)和暴雨系統(tǒng)提供側(cè)邊界和初始場。T63L16可用預(yù)報(bào)時(shí)效比T42延長近1.5 d，大大提高了模式的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。隨著并行計(jì)算機(jī)的問世，1997年6月1日開始，建立了第三代中期數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)T106L19(1.125°，約為100 km)(楊學(xué)勝，2010)。

T63和T106模式除了分辨率不同，系統(tǒng)特征基本一樣，它們與T42一樣采用多元最優(yōu)插值客觀分析方案，所用觀測資料只有常規(guī)資料，包括探空、測風(fēng)、地面/船舶、飛機(jī)、衛(wèi)星測風(fēng)和測厚、浮標(biāo)站和高空人造站。T42垂直方向采用σ坐標(biāo)，垂直層次均勻等分，用非線性絕熱正規(guī)模初始化，使用串行運(yùn)行方式； T63/T106垂直方向采用σ-p混合坐標(biāo)，垂直層次非均勻等分，低層更密，采用非線性非絕熱正規(guī)模初始化，多任務(wù)并行；T42采用譜地形，T106采用包絡(luò)地形，并且參數(shù)化了地形重力波的拖曳作用。三者的大尺度降水均采用飽和凝結(jié)法，次網(wǎng)格尺度的深對流都采用Kuo方案，但是T63/T106還增加了淺對流參數(shù)化；三者的水平擴(kuò)散都采用四階線性隱式擴(kuò)散方案。T42的湍流交換系數(shù)僅取決于混合長和風(fēng)的切變，T63/T106則進(jìn)一步考慮了大氣的穩(wěn)定度。T42的陸面過程方案在陸面、雪面和海冰上的表面溫度采用能量平衡方程計(jì)算，在洋面上采用氣候平均溫度。T63/T106陸面溫度采用熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行預(yù)報(bào)，洋面溫度與T42一樣。T42采用20世紀(jì)70年代美國地球物理流體動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory，GFDL)的輻射方案，考慮了云、CO2、O3對輻射的吸收、氣體的散射和地面的反射作用。T63/T106采用20世紀(jì)80年代中期的ECMWF輻射方案，考慮瑞利散射、云和氣溶膠的散射和吸收、地表的吸收和反射，氣溶膠隨高度變化，且隨城市、海洋、沙漠、平流層而不同(皇甫雪官，1995)。

1.2 消化吸收基礎(chǔ)上的改進(jìn)升級階段

在引進(jìn)ECMWF全球譜模式的基礎(chǔ)上，通過改造向量長度以適應(yīng)超標(biāo)量技術(shù)的計(jì)算機(jī)、對勒讓德變換、短波輻射等計(jì)算瓶頸程序進(jìn)行優(yōu)化，采用非同步、非阻塞消息傳遞機(jī)制，以及實(shí)現(xiàn)MPI與OpenMP的混合并行編程等改造，首次以分布與共享相結(jié)合的方式在IBM/SP高性能計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了全球譜模式T213L31(0.5625°，約為60 km)的高效運(yùn)行，并研發(fā)了與T213L31全球譜模式相配套的最優(yōu)插值并行處理分析系統(tǒng)，建立了后處理系統(tǒng)和檢驗(yàn)系統(tǒng)以及自動(dòng)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。在北半球和東亞地區(qū)，T213的可用預(yù)報(bào)天數(shù)比T106延長了1 d；對降水預(yù)報(bào)也有比較明顯的改進(jìn)，晴雨預(yù)報(bào)的TS評分比T106提高了5%～10%；同時(shí),T213對西風(fēng)指數(shù)的逐日演變、副熱帶高壓脊點(diǎn)和北界的進(jìn)退變化、臺風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)都較T106有了明顯的改善(陳起英等，2004a)。由此，建立了中央氣象臺第四代中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)T213，并于2003年9月正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，該系統(tǒng)是中國首次在大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)環(huán)境下建立的全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

與T106L19相比，T213L31對主要物理過程參數(shù)化方案都作了較大改進(jìn)。長波和短波輻射方案都進(jìn)行了整體升級，短波通量用光子路徑分布方法，分開考慮輻射傳輸中散射和吸收過程的貢獻(xiàn)。晴天長波通量的計(jì)算用比輻射率方法，改進(jìn)了長波吸收對溫度和壓力的依賴關(guān)系；增加考慮了T106模式中沒有的e 型連續(xù)吸收。T106采用包絡(luò)地形加上重力波拖曳參數(shù)化方案，因?yàn)榘j(luò)地形是人為抬高的地形，在同化過程中有很多低層數(shù)據(jù)會(huì)被認(rèn)為是在地形之下而被拋棄，同時(shí)抬高的地形也會(huì)造成更多的虛假對流降水，T213采用的是真實(shí)的平均地形，同時(shí)考慮了重力波拖曳和阻塞流拖曳來解決原來只有重力波拖曳時(shí)總的拖曳力不夠的問題。T213開始采用總體質(zhì)量通量型的對流參數(shù)化方案代替T106的大尺度水汽輻合方案，是目前廣泛應(yīng)用的積云對流方案，引入了T106方案中沒有的積云下沉支、積云動(dòng)量傳輸和中層對流參數(shù)化。T213采用了Tiedtke(1993)的預(yù)報(bào)云方案，取代T106采用的診斷云方案，使云與水物質(zhì)收支有更好的一致性，且與輻射、動(dòng)力過程有更好的相互作用。T106的陸面過程方案僅對兩層土壤溫濕層進(jìn)行預(yù)報(bào)，第三層是一個(gè)土壤溫度和濕度隨月變化的“氣候?qū)印?，在積分過程中容易向“氣候場”飄移；T213的四層土壤溫濕層都是預(yù)報(bào)的，增加了T106沒有考慮的周—季時(shí)間尺度的土壤水文過程，并且對土壤水文過程進(jìn)行了更加物理化的改進(jìn)(陳起英等，2004b)。

之后，為滿足日益增加的精細(xì)化預(yù)報(bào)需求，對T213L31模式進(jìn)行了升級改進(jìn)，采用規(guī)約線性高斯格點(diǎn)，水平分辨率由T213提高到TL639(0.28125°，約為30 km)，垂直層次從31層提升到60層，模式層頂從10 hPa升至0.1 hPa。伴隨著分辨率和模式層頂?shù)奶岣?，引入瑞利摩擦，增加平流層的?jì)算穩(wěn)定性；通過穩(wěn)定外插兩時(shí)間層半隱式半拉格朗日算法的引入，解決了傳統(tǒng)半拉格朗日算法在計(jì)算軌跡中點(diǎn)風(fēng)速和預(yù)報(bào)方程非線性項(xiàng)時(shí)采用時(shí)間外插帶來的計(jì)算噪音，提高了模式積分的穩(wěn)定性，并延長了模式的積分時(shí)間步長(陳起英等，2007)。同時(shí)，以云和降水過程為重點(diǎn)，改進(jìn)了積云對流參數(shù)化和格點(diǎn)云降水方案(陳起英等，2009)。在建立TL639系統(tǒng)過程中，建立了地形和下墊面資料處理系統(tǒng)，生成全球譜模式所需的下墊面地理要素場和氣象要素場。通過引進(jìn)譜統(tǒng)計(jì)插值(spectral statistical interpolation，SSI)以及隨后升級的格點(diǎn)統(tǒng)計(jì)插值(gridpoint statistical interpolation，GSI)，資料同化系統(tǒng)由最優(yōu)插值實(shí)現(xiàn)了向三維變分同化的升級，并對并行計(jì)算效率、背景誤差協(xié)方差、通道最優(yōu)選擇等進(jìn)行了優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，加入動(dòng)態(tài)偏差訂正和模式偏差訂正項(xiàng)等，實(shí)現(xiàn)了NOAA15-18 ATOVS資料的同化。在此過程中，也建立了ATOVS資料的實(shí)時(shí)收集與入庫、質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)加工流程。中央氣象臺第五代中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)T639于2008年8月實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化。T639系統(tǒng)比T213系統(tǒng)有明顯改進(jìn)，東亞地區(qū)可用預(yù)報(bào)天數(shù)提高達(dá)1 d，各量級降水的TS評分也得到明顯提高(管成功等，2008)。

1.3 譜模式預(yù)報(bào)效果演變

圖1為1990年1月至2010年1月中央氣象臺業(yè)務(wù)中期預(yù)報(bào)譜模式第3、5、7天預(yù)報(bào)的北半球500 hPa高度場距平相關(guān)系數(shù)(anomaly correlation coefficient,ACC)演變?？梢钥吹?，歷經(jīng)T42、T63、T106、T213和T639 五代中期預(yù)報(bào)譜模式，中期數(shù)值預(yù)報(bào)水平在不斷提高。以ACC達(dá)到0.6作為可用預(yù)報(bào)時(shí)效的標(biāo)準(zhǔn)，可用預(yù)報(bào)天數(shù)從T42的3 d增加到T639的7 d，增加了4 d。T系列從1991—2016年服務(wù)于全國的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，在逐日天氣預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、重大活動(dòng)氣象保障及服務(wù)其他行業(yè)中發(fā)揮了重要作用。

圖1 1990年1月至2010年1月中國業(yè)務(wù)中期預(yù)報(bào)譜模式500 hPa高度場ACC演變 (細(xì)線為逐月演變情況，粗線為6個(gè)月滑動(dòng)平均的結(jié)果)Fig.1 Time series of ACC of 500 hPa height for 72 h (blue), 120 h (red) and 168 h (light purple) forecasts by operational global spectral model system from January 1990 to January 2010 (Thin lines are for monthly change, and thick lines for 6-month running means)

2 GRAPES_GFS的發(fā)展和業(yè)務(wù)應(yīng)用

如前所述，在“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目成果GRAPES全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于2007年7月開始GRAPES_GFS全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化，從準(zhǔn)業(yè)務(wù)版本GRAPES_GFS 1.0到具有四維變分同化能力的GRAPES_GFS 2.4版本，模式、同化和觀測資料應(yīng)用得到了大幅度提升。目前的業(yè)務(wù)版本為GRAPES_GFS 2.4，業(yè)務(wù)配置如表1所示，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用效果介紹可以參照沈?qū)W順和王建捷(2015)。以下概述GRAPES的主要科學(xué)技術(shù)進(jìn)展。

表1 GRAPES_GFS業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)配置表Table 1 Configuration of GRAPES_GFS

2.1 GRAPES模式動(dòng)力框架改進(jìn)

半隱式半拉格朗日時(shí)間離散化算法由于可取較長的時(shí)間步長和具有較高的計(jì)算穩(wěn)定性，因而為數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中心的模式所采用(Mengaldo et al,2019)。研發(fā)GRAPES模式時(shí)，設(shè)計(jì)采用了兩時(shí)間層的半隱式半拉格朗日積分算法(Temperton et al,2001;Gospodinov et al,2001)。兩時(shí)間層半隱式半拉格朗日算法在隱式處理非線性項(xiàng)和計(jì)算拉格朗日軌跡中間點(diǎn)風(fēng)速時(shí)傳統(tǒng)上采用時(shí)間外推算法，雖簡潔易實(shí)現(xiàn)但卻存在導(dǎo)致計(jì)算噪音的潛在危險(xiǎn)(McDonald,1991;Hortal,2002)。在GRAPES_GFS 1.0研發(fā)成功之后，通過研制非插值半拉格朗日位溫垂直平流計(jì)算、高精度守恒的標(biāo)量平流方案、W-damping、水平擴(kuò)散和平流層瑞利摩擦，以及濾波地形等方案，顯著提高了模式動(dòng)力框架的穩(wěn)定性和質(zhì)量守恒性。這些多方位改進(jìn)的動(dòng)力框架構(gòu)成了GRAPES_GFS 2.0版本的模式動(dòng)力框架(沈?qū)W順等，2017；蘇勇等，2013)。

2.2 GRAPES新動(dòng)力框架開發(fā)

如2.1節(jié)所述，GRAPES模式動(dòng)力框架采用了傳統(tǒng)的兩時(shí)間層半隱式半拉格朗日算法，線性化時(shí)采用等溫參考大氣，選取較大的半隱式權(quán)重系數(shù)以保持計(jì)算穩(wěn)定，算法中非線性項(xiàng)處理及上游點(diǎn)計(jì)算時(shí)中間點(diǎn)風(fēng)速通過時(shí)間外推來計(jì)算，這些都會(huì)影響計(jì)算精度，并帶來計(jì)算穩(wěn)定性問題(Simmons and Temperton,1997；Ritchie and Tanguay,1996;Temperton et al,2001)。為解決這些問題，發(fā)展了預(yù)估修正半隱式半拉格朗日算法，并在線性化時(shí)引入三維參考大氣。GRAPES預(yù)估修正算法在計(jì)算非線性項(xiàng)時(shí)采用微分方程數(shù)值求解時(shí)常用的Adams-Bashforth 二步梯形法(ABT；Kar,2012;Clancy and Pudykiewicz,2013)，在隱式計(jì)算線性項(xiàng)時(shí)采用二階Adams-Moulton方案(AM2;Durran and Blossey,2012;Clancy and Pudykiewicz,2013)。ABT-AM2方案在保持二階計(jì)算精度的同時(shí)避免了時(shí)間外推計(jì)算。構(gòu)造半隱式算法時(shí)，需要選取參考態(tài)將控制方程組線性化。線性化后的方程組將成為大項(xiàng)線性項(xiàng)與小項(xiàng)非線性項(xiàng)之和。如果采用等溫大氣為參考態(tài)，非線性項(xiàng)有時(shí)不一定為小項(xiàng)，尤其當(dāng)模式垂直層次向上擴(kuò)展時(shí)更是如此，這將給計(jì)算精度帶來較大影響。為此，引入了三維參考大氣，保證線性化后的方程組各項(xiàng)具有合理的量級。基于上述新的算法設(shè)計(jì)，重寫了GRAPES動(dòng)力框架，將三維參考大氣與預(yù)估-修正算法結(jié)合，在減小非線性項(xiàng)數(shù)量級的同時(shí)，通過迭代算法避免時(shí)間外推帶來的影響，也可以使半隱式系數(shù)接近0.5，計(jì)算精度接近二階(蘇勇等，2018)。GRAPES新動(dòng)力框架已經(jīng)應(yīng)用于抬高GRAPES_GFS模式頂至0.1 hPa的開發(fā)工作，該系統(tǒng)已于2020年7月投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.3 GRAPES物理過程改進(jìn)

在準(zhǔn)業(yè)務(wù)版本GRAPES_GFS 1.0基礎(chǔ)上，GRAPES模式物理過程歷經(jīng)兩次大幅度升級和一次深入優(yōu)化，形成了GRAPES_GFS 2.0的物理過程包 (沈?qū)W順等，2017；Chen et al，2016；Liu et al，2015；Ma et al,2018；Chen et al,2020)。第一次升級包括RRTMG輻射和CoLM陸面過程的引入，使得GRAPES全球模式具有了相對完備的適用于全球大氣環(huán)流模擬預(yù)報(bào)的物理過程包。第二次升級從物理機(jī)制上改進(jìn)了積云對流、邊界層過程，并發(fā)展了基于雙參數(shù)云物理方案的云宏物理方案，引入了次網(wǎng)格尺度地形重力波參數(shù)化(Chen et al，2016；Liu et al，2015；Chen et al,2020)。這些升級大幅度改進(jìn)了模式對熱帶降水、全球云量的預(yù)報(bào)，減緩了在中國東南部的南風(fēng)預(yù)報(bào)偏差，并改進(jìn)了模式對形勢場的預(yù)報(bào)。在兩次升級的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)了預(yù)報(bào)云量方案，針對格點(diǎn)尺度云物理過程與積云對流的反饋，從機(jī)理上完成了優(yōu)化改進(jìn)(Ma et al,2018)；改進(jìn)了邊界層過程的調(diào)用計(jì)算(從Lorenz跳點(diǎn)到Charney-Phillips跳點(diǎn))，避免了物理過程傾向插值帶來的誤差；在輻射計(jì)算中，考慮了短波輻射太陽高度角訂正和氣溶膠的直接輻射效應(yīng)，改進(jìn)了陸地上空的溫度預(yù)報(bào)偏差；采用英國氣象局哈德萊中心的海冰分布?xì)夂驁?，?yōu)化了CoLM中的海冰分布，并改進(jìn)了海冰的反照率；參考ECMWF模式，改進(jìn)了陸地地表反照率的計(jì)算；在優(yōu)化過程中，修正了湖模式初始化及葉面溫度計(jì)算中可能引起模式積分不穩(wěn)定的問題，強(qiáng)化了模式的計(jì)算穩(wěn)定性。

2.4 全球變分同化框架改進(jìn)和4DVar的發(fā)展

GRAPES_GFS 1.0的同化系統(tǒng)是一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的三維變分分析系統(tǒng)(3-dimensional variational assimilation,3DVar)，分析變量為位勢高度、勢函數(shù)、流函數(shù)和相對濕度，在17層標(biāo)準(zhǔn)等壓面和Arakawa-A網(wǎng)格上分析之后，通過靜力關(guān)系導(dǎo)出模式預(yù)報(bào)變量，再插值到模式格點(diǎn)上作為初值。由于插值誤差，等壓面3DVar存在提高精度上的局限性。為此，研發(fā)了與模式格點(diǎn)空間完全匹配的3DVar同化框架(薛紀(jì)善等，2012)，并完成了相關(guān)模型、平衡約束關(guān)系、背景誤差協(xié)方差、數(shù)字濾波等同化框架的優(yōu)化，較大幅度提高了同化分析的精度。這些成果形成了版本GRAPES_GFS 2.0的3DVar同化系統(tǒng)。

在模式空間全球3DVar框架基礎(chǔ)上，2008年開始研發(fā)GRAPES全球4DVar，至2018年7月實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用，歷經(jīng)10年。在全球非靜力GRAPES模式基礎(chǔ)上，發(fā)展了非靜力的切線和伴隨模式。為保持在同化時(shí)間窗內(nèi)切線性模式與非線性模式在演變軌跡上較高的近似程度，研發(fā)了基于簡化物理過程的切線性物理過程，包括積云對流、云物理、邊界層垂直擴(kuò)散、次網(wǎng)格地形阻塞流拖曳，這些研發(fā)工作成為GRAPES全球4DVar系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。GRAPES全球4DVar采用增量分析方案，在代價(jià)函數(shù)中引入數(shù)字濾波作為弱約束以抑制高頻重力波，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多重外循環(huán)，極小化算法采用Lanczos-CG算法(Zhang et al，2019；Liu et al，2018)。4DVar分析框架采用了水平和垂直不可分離的背景場誤差協(xié)方差模型，水平相關(guān)模型采用二階自回歸模型，相關(guān)尺度隨高度變化，垂直相關(guān)模型則直接由集合樣本統(tǒng)計(jì)得到。平衡約束考慮了旋轉(zhuǎn)風(fēng)和散度風(fēng)、旋轉(zhuǎn)風(fēng)和質(zhì)量場、非平衡散度風(fēng)和質(zhì)量場的平衡，采用動(dòng)力和統(tǒng)計(jì)結(jié)合方案實(shí)現(xiàn)。GRAPES全球4DVar的業(yè)務(wù)應(yīng)用顯著大幅度提高了觀測資料使用量，提高了全球分析的質(zhì)量，并進(jìn)一步在各個(gè)時(shí)效上改善了預(yù)報(bào)效果。基于4DVar成果，2018年7月GRAPES_GFS 2.0升級為GRAPES_GFS 2.4版本。

2.5 衛(wèi)星資料同化技術(shù)研發(fā)

GRAPES衛(wèi)星資料同化技術(shù)的系統(tǒng)性研發(fā)始于2004年，在早期的GRAPES等壓面3DVar中加入了NOAA-16微波溫度計(jì)AMSU-A輻射率資料的直接同化(Zhang et al,2004)。包括NOAA系列(NOAA-15、NOAA-16、NOAA-17、NOAA-18)ATOVS、GPS掩星資料、靜止和極軌衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)等批量衛(wèi)星資料同化技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)和業(yè)務(wù)應(yīng)用始于GRAPES_GFS的開發(fā)(沈?qū)W順等，2009)。在GRAPES_GFS準(zhǔn)業(yè)務(wù)化、業(yè)務(wù)化過程中，陸續(xù)開發(fā)了中國風(fēng)云氣象衛(wèi)星系列、歐洲Metop氣象衛(wèi)星等的AMSU-A、微波濕度計(jì)(MHS)、高光譜大氣紅外等輻射率(IASI、AIRS)資料，多平臺衛(wèi)星資料的成功同化是GRAPES_GFS預(yù)報(bào)能力持續(xù)提高的重要因素(沈?qū)W順和王建捷，2015)。伴隨GRAPES_GFS的不斷進(jìn)步，在衛(wèi)星資料同化方面形成了云檢測、質(zhì)量控制、偏差訂正、通道選擇、稀疏化處理、觀測誤差協(xié)方差估計(jì)等各環(huán)節(jié)相對成熟的方法。

衛(wèi)星資料偏差訂正是影響衛(wèi)星資料同化效果的重要因素之一。在GRAPES_GFS研發(fā)初期，針對衛(wèi)星探測儀器普遍存在的系統(tǒng)性偏差，采用了Harris and Kelly(2001)的偏差訂正方案。隨后依據(jù)GRAPES模式的偏差特征，發(fā)展了有約束衛(wèi)星資料偏差訂正方案(Han, 2014; Han and Bormann，2016)。該方案減小了模式的背景偏差對衛(wèi)星輻射率資料偏差訂正的影響，較好地去除了資料本身的系統(tǒng)性偏差，更好地利用了觀測信息。業(yè)務(wù)GRAPES_GFS 是不間斷的同化預(yù)報(bào)循環(huán)，對衛(wèi)星資料質(zhì)量的起伏非常敏感。為了解決在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)運(yùn)行中由于衛(wèi)星探測儀器老化、偏差訂正方程系數(shù)退化以及季節(jié)變化等原因造成的觀測數(shù)據(jù)漂移問題，張華等(2018)開發(fā)了適用于衛(wèi)星輻射率資料的動(dòng)態(tài)偏差訂正方案，采用一維變分方法，利用經(jīng)過同化模式質(zhì)量控制的近期衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對偏差訂正系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

2.6 GRAPES_GFS預(yù)報(bào)技巧演變

圖2是2010年1月至2019年6月GRAPES_GFS預(yù)報(bào)第5天500 hPa高度場ACC的時(shí)間序列，同時(shí)在圖中也給出了ECMWF、NCEP的預(yù)報(bào)結(jié)果?？梢钥吹?，2010年以來GRAPES_GFS對形勢場的預(yù)報(bào)技巧逐步提高，雖與ECMWF、NCEP還有差距，但逐年預(yù)報(bào)技巧的不斷提高反映了GRAPES_GFS在模式、同化以及觀測資料應(yīng)用等諸方面的巨大進(jìn)步，如2.1～2.5節(jié)中所述。近些年，以GRAPES_GFS為核心基礎(chǔ)的GRAPES模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品也得到越來越廣泛的應(yīng)用(宮宇等，2018；錢媛等，2019；王新敏和栗晗，2020)。

圖2 2010年1月至2019年6月GRAPES_GFS 預(yù)報(bào)第5天500 hPa高度場ACC演變Fig.2 Time series of ACC of 500 hPa height for the 5th day forecast by GRAPES_GFS from January 2010 to June 2019

3 中央氣象臺全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的未來發(fā)展

ECMWF一直走在全球數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)和預(yù)報(bào)質(zhì)量的前沿。Magnusson and K?llen(2013)系統(tǒng)總結(jié)了ECMWF預(yù)報(bào)技巧逐年提高的原因，指出：預(yù)報(bào)模式的不斷改進(jìn)和分辨率的提高、資料同化技術(shù)的進(jìn)步以及日益增加的觀測資料(尤其是衛(wèi)星資料),構(gòu)成了三大主要貢獻(xiàn)因素。這三大要素也正是今后持續(xù)發(fā)展GRAPES_GFS的著重點(diǎn)。

從現(xiàn)狀的GRAPES_GFS預(yù)報(bào)能力來看，雖然與引進(jìn)的T639相比有一定優(yōu)勢，但與國際先進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中心的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)相比，預(yù)報(bào)技巧尚有差距。圍繞上述三大要素，今后努力的重點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：

(1)進(jìn)一步發(fā)展GRAPES全球4DVar技術(shù)，加快實(shí)現(xiàn)集合預(yù)報(bào)信息在4DVar中的應(yīng)用，提高同化分析的精度。

(2)發(fā)展先進(jìn)的衛(wèi)星資料同化技術(shù)。重點(diǎn)發(fā)展衛(wèi)星變分質(zhì)量控制、變分偏差訂正技術(shù)，并發(fā)展受地表影響的微波資料在GRAPES中的同化應(yīng)用。

(3)發(fā)展陸面、積雪、海洋等資料分析同化技術(shù)，為GRAPES_GFS提供高質(zhì)量的下墊面初邊界值。

(4)繼續(xù)改進(jìn)GRAPES動(dòng)力框架的計(jì)算精度、計(jì)算效率和可擴(kuò)展性，并繼續(xù)深入優(yōu)化GRAPES模式物理過程，實(shí)現(xiàn)10～15 km分辨率的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

(5)為適應(yīng)未來精細(xì)化和無縫隙天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測業(yè)務(wù)需求，以及未來異構(gòu)眾核高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展的挑戰(zhàn)，研發(fā)高精度可擴(kuò)展守恒的大氣模式新框架和尺度自適應(yīng)物理過程，并逐步開展耦合數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的研究，從而迎接未來局地百米、全球千米級分辨率和耦合數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展挑戰(zhàn)。