常 俊 任星露 柴 波

（1.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院四川分院,四川 成都 610072；2.四川省雅安市氣象局,四川 雅安 625099）

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

數(shù)值天氣預(yù)報的發(fā)展如同一次寂靜革命[1]，世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）稱數(shù)值天氣預(yù)報為20世紀(jì)最偉大的科技和社會成就之一。數(shù)值天氣預(yù)報是基于數(shù)學(xué)物理方法客觀定量計算未來天氣演變的科學(xué)，從數(shù)值預(yù)報的概念被提出，經(jīng)過百余年的應(yīng)用發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報已經(jīng)成為現(xiàn)代氣象預(yù)報預(yù)測業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。尤其近十幾年，隨著模式動力框架更加精準(zhǔn)，參數(shù)化方案更加合理，觀測資料更加密集，同化技術(shù)更加完善，以及IT技術(shù)的發(fā)展、大規(guī)模計算能力和模式分辨率的提高，數(shù)值天氣預(yù)報的有效預(yù)報時效不斷延長，預(yù)報準(zhǔn)確率持續(xù)提高，數(shù)值預(yù)報已經(jīng)成為天氣預(yù)報業(yè)務(wù)不可替代的手段。其中，歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，以下簡稱ECMWF）的數(shù)值預(yù)報水平在全球首屈一指，其數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品無論是預(yù)報精準(zhǔn)度還是有效預(yù)報時長都領(lǐng)先于其他模式產(chǎn)品[2]，世界各國的天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中心都逐步將ECMWF的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品作為主要參考對象。

但無法回避的是，無論多么精準(zhǔn)的數(shù)值預(yù)報都是對真實大氣的數(shù)學(xué)物理近似，通過離散計算獲得數(shù)值解，其結(jié)果不可避免地存在系統(tǒng)性誤差和隨機誤差。系統(tǒng)性誤差主要來源于初始誤差和模式誤差，初始誤差有觀測誤差、資料不均勻和客觀分析誤差等，模式誤差主要包括模式物理過程和動力過程誤差、數(shù)值求解的計算誤差和計算機的舍入誤差[3]。

提高預(yù)報準(zhǔn)確率的關(guān)鍵問題在于減小預(yù)報誤差。采用精度更高、范圍更廣、分辨率更高的觀測資料為數(shù)值模式提供更可靠的初值；采用更科學(xué)的模式動力框架和物理過程參數(shù)化方案，使模式對大氣運動的動力、物理過程描述更接近于實際狀況；或者通過提高模式分辨率等手段有效減小數(shù)值模式誤差。然而，無論是初始場還是模式動力過程或物理過程的描述，都只是實際大氣無限復(fù)雜過程的近似，只能在一定程度上提高逼近實際大氣的程度，減小模式預(yù)報誤差，但并不能完全消除誤差。因此，對數(shù)值預(yù)報誤差的有效訂正和訂正系統(tǒng)研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。

數(shù)值預(yù)報誤差的訂正方法主要有經(jīng)驗性方法、變分修正方法、Kalman濾波及集合Kalman濾波方法，以及動力與統(tǒng)計相結(jié)合的修正方法四類[4]。

其中，動力與統(tǒng)計相結(jié)合的預(yù)報方法提出較早。丑紀(jì)范院士[5]指出動力方法符合確定論，天氣的未來狀態(tài)是由現(xiàn)在狀態(tài)以及制約這種狀態(tài)變化的物理規(guī)律所確定的必然結(jié)果，對初值極其敏感；統(tǒng)計方法則歸屬概率論，認(rèn)為天氣的未來狀態(tài)有不確定性，其準(zhǔn)確性和歷史資料的質(zhì)量以及積累數(shù)量有一定的正相關(guān)。單純的動力預(yù)報方法和統(tǒng)計預(yù)報方法都有一定的準(zhǔn)確性，也都有各自的缺點，宜取長補短、去粗取精?？v觀過去，歷史資料的應(yīng)用在數(shù)值預(yù)報訂正發(fā)展歷程中發(fā)揮了非常重要的作用。氣象學(xué)家顧震潮[6-7]認(rèn)為歷史資料是目前我們所能獲得的對真實大氣運動最客觀的反映。因此，數(shù)值預(yù)報可以由初值問題轉(zhuǎn)化為歷史演變問題。

在此研究基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了基于歷史資料的ECMWF數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品距平積分訂正系統(tǒng)(Anomaly Numerical-correction of ECMWF-prediction with Observations，以下簡稱ANEO)，該系統(tǒng)針對世界主流的ECMWF中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，利用動力統(tǒng)計方法，從已有的最能客觀反映大氣運動狀態(tài)的大量歷史觀測資料中提取出大氣真實氣候態(tài)，來取代ECMWF中期數(shù)值預(yù)報模式氣候態(tài)，從而達到減小模式結(jié)果系統(tǒng)誤差，提高預(yù)報精準(zhǔn)度的目的[8-9]。

2 系統(tǒng)定義

本系統(tǒng)是有效減小ECMWF數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品系統(tǒng)性誤差，顯著改善其預(yù)報精度和可用預(yù)報時效的數(shù)值預(yù)報訂正系統(tǒng)。旨在降低一線人員的工作量，提高該數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在中短期—延伸期、強降水等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)等方面的時效性和預(yù)報能力。

3 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 運行環(huán)境和總體流程

軟件系統(tǒng)以科學(xué)數(shù)據(jù)處理為目的，以數(shù)據(jù)可視化的高級語言NCL(The NCAR Command Language) Version 6作為開發(fā)語言。軟件環(huán)境：Linux操作系統(tǒng)，netcdf4.1.3及以上，GrADS（Grid Analysis and Display System）2.2.0及以上。硬件要求：CPU64雙核以上，內(nèi)存128G以上，硬盤10T以上；

圖1為軟件流程圖。采用分布式架構(gòu)和并行計算，合理充分利用計算資源以優(yōu)化計算和處理效率，最大限度提高預(yù)報時效。

圖1 軟件流程圖

3.2 核心算法

（1）在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下，大氣中的任一變量f隨時間的變化都遵循物理規(guī)律（牛頓第二定律、熱力學(xué)第一定律和連續(xù)方程）。數(shù)值天氣模式正是由這些動力與大氣狀態(tài)方程共同構(gòu)成，但是這些方程是一組偏微分方程，只能通過數(shù)值方法近似求解，無法求得準(zhǔn)確的解析解。該方程概括為：

式中，L（f）和N（f）在這里分別表示數(shù)值模式預(yù)報變量f的線性和非線性部分，ε代表模式預(yù)報誤差。

（2）變量f在某一較長時間尺度上可以分解為長時間周期的氣候態(tài)和相對于氣候態(tài)的天氣擾動量（或距平量）f'。

（4）由式（1）和式（3）積分可得天氣擾動量

式（4）中，n為平均時間尺度，一般取15a或30a。由此可以去除數(shù)值預(yù)報模式的氣候場，避免的誤差隨時間積分而放大，只得到模式產(chǎn)品天氣擾動部分隨時間的演變。

（5）氣候場是大氣變化的多年（一般取15a或30a）平均。不同年份同一時刻太陽高度角相同，大氣具有相同的輻射能外源，所以這種分解是具有物理意義的。對于天氣預(yù)報而言氣候場是已知不變的，因此可以充分利用大量的歷史資料，得到大氣運動真實的氣候態(tài)，并與模式天氣擾動預(yù)報量耦合得到最終的預(yù)報量。

以上利用歷史觀測資料和天氣擾動距平積分思想，部分消除了模式系統(tǒng)性誤差，使預(yù)報產(chǎn)品更加接近實際大氣運動。模式的系統(tǒng)性誤差，會在每一時刻的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品中體現(xiàn)，對應(yīng)地，系統(tǒng)性誤差會在值中體現(xiàn)，用代替就實現(xiàn)了ECMWF數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品系統(tǒng)性誤差的訂正。

3.3 功能模塊設(shè)計

該訂正系統(tǒng)共包括數(shù)據(jù)前處理模塊、物理分解模塊、氣候態(tài)提取模塊、訂正模塊、后處理模塊、訂正產(chǎn)品幾個部分。

3.3.1 數(shù)據(jù)前處理模塊

下載并讀入近15年的歷史ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)作為觀測數(shù)據(jù)，變量分別為位勢(Geopotential)、溫度(Temperature)、比濕(Specific humidity)、風(fēng)場緯向分量(V component of wind)、風(fēng)場經(jīng)向分量(U component of wind)；下載中國自動站與CMORPH融合的逐時降水量0.1°網(wǎng)格數(shù)據(jù)集；鏈接并讀入起報時間為00時（UTC）的ECMWF近15年中期（預(yù)報時效10天）數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，以及待訂正的實時數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。針對ERA-interim再分析數(shù)據(jù)格點分布和緯向存儲順序與預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)不同的特點，對該數(shù)據(jù)進行緯向存儲轉(zhuǎn)置和雙線性插值；同理對中國自動站與CMORPH融合的逐時降水量0.1°網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進行插值和格式轉(zhuǎn)換；對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將GRIB格式的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)一致的NC格式，篩選并提取訂正所需與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)一致的變量。

3.3.2 物理分解模塊

對歷史ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)、中國自動站與CMORPH融合的逐時降水量0.1°網(wǎng)格數(shù)據(jù)集和ECMWF中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品各變量進行分析，得到各天氣變量15年左右的時間變化序列；在保留氣候日變化信息的基礎(chǔ)上分別計算出三種數(shù)據(jù)各變量每一時刻的天氣擾動量；歷史ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)計算得到的天氣擾動量將作為環(huán)流場觀測擾動量，中國自動站與CMORPH融合的逐時降水量0.1°網(wǎng)格數(shù)據(jù)集計算得到的天氣擾動量將作為降水觀測擾動量，ECMWF中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品計算得到的天氣擾動量將作為模式擾動量共同傳遞到氣候態(tài)提取模塊和訂正模塊。見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)前處理和物理分解流程

3.3.3 氣候態(tài)提取模塊

在選擇合適的氣候平均尺度n=15的前提下，調(diào)用物理分解模塊生成的觀測擾動量和預(yù)報擾動量，計算每一時刻歷史ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品各天氣變量和擾動量之間的差值，即為各個時刻天氣變量長期變化的平均——觀測氣候態(tài)和預(yù)報氣候態(tài)。將得到的各天氣變量每一時刻的觀測氣候態(tài)和預(yù)報氣候態(tài)傳遞給訂正模塊。

3.3.4 訂正模塊

將預(yù)報產(chǎn)品和歷史觀測數(shù)據(jù)分別整理到不同天氣變量不同時間尺度各時刻的氣候態(tài)和擾動量數(shù)據(jù)庫中，以供隨時調(diào)用；根據(jù)待訂正模式產(chǎn)品天氣變量、起報時刻和預(yù)報時效的不同，從數(shù)據(jù)庫中篩選并調(diào)用對應(yīng)的氣候態(tài)和擾動量；將預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)中各變量每一格點每一時刻對應(yīng)的模式氣候態(tài)替換為觀測氣候態(tài)，以此達到部分消除ECMWF中期數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)性誤差的目的；并與對應(yīng)的預(yù)報產(chǎn)品擾動量耦合得到各天氣變量最終訂正結(jié)果。

3.3.5 后處理模塊及訂正產(chǎn)品

根據(jù)業(yè)務(wù)需要，后處理模塊對訂正結(jié)果進行GRADS、MICAPS、NC等格式轉(zhuǎn)換，并存儲到對應(yīng)目錄；生成不同預(yù)報時效不同格式的訂正預(yù)報產(chǎn)品及對應(yīng)圖形文件，供預(yù)報業(yè)務(wù)人員使用參考。

除此之外，后處理模塊還可根據(jù)算法中的檢驗公式對訂正結(jié)果進行指標(biāo)檢驗：計算環(huán)流場各變量（位勢、比濕、溫度、風(fēng)場緯向分量、風(fēng)場經(jīng)向分量），距平相關(guān)系數(shù)（ACC）和均方根誤差（RMSE）；計算降水量評分（TS、ETS），評估不同變量在預(yù)報精度和有效預(yù)報時效等方面的訂正效果。

4 運行設(shè)計

不同級別預(yù)報員的登錄用戶名、權(quán)限不同，首席預(yù)報員可以登錄所有模塊進行查看，系統(tǒng)管理員可以進行包括修改程序代碼等無限制操作。普通預(yù)報員僅能登錄后處理模塊，查看訂正結(jié)果。運行時間方面，每月1日00時（UTC）進行前期運行，時間開銷根據(jù)系統(tǒng)硬件配置有所不同。氣候態(tài)提取模塊時間開銷在0.5小時以內(nèi)。訂正模塊和后處理模塊每日03時自動運行，時間開銷根據(jù)系統(tǒng)硬件配置在5小時以內(nèi)。訂正產(chǎn)品模塊占用系統(tǒng)計算資源較少，時間開銷在1小時以內(nèi)。

運行錯誤處理方面，軟件在運行過程中，需要對可能出現(xiàn)的漏洞或錯誤進行處理，以免導(dǎo)致程序中斷或者占用較多計算資源和時間成本，系統(tǒng)會提供可能出現(xiàn)的錯誤信息和對應(yīng)的解決方案一覽表供查詢。

本軟件系統(tǒng)運行過程中，需要系統(tǒng)管理員定期進行運行管理、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)設(shè)置等工作，包括程序的定期維護、數(shù)據(jù)文件的每月定時更新、代碼的維護等。

5 軟件系統(tǒng)的應(yīng)用

從ANEO系統(tǒng)針對ECMWF數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品大量的擬業(yè)務(wù)化訂正應(yīng)用來看，該系統(tǒng)對不同季節(jié)（夏季和冬季）、不同類型（華南前汛期、江淮梅雨、華西秋雨等）、不同區(qū)域（華南區(qū)域、江淮區(qū)域、長江中下游區(qū)域等）天氣過程的預(yù)報環(huán)流場（位勢、比濕、溫度、風(fēng)場緯向分量、風(fēng)場經(jīng)向分量等）具有較好改進效果，雖然對降水預(yù)報的改進不及環(huán)流場明顯，但在多個暴雨個例的應(yīng)用中仍然顯示出對不同量級的降水預(yù)報有較好的改進作用。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于歷史資料的歐洲中期天氣預(yù)報中心數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品訂正系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用歷史觀測資料和預(yù)報產(chǎn)品本身，結(jié)合動力與統(tǒng)計方法對天氣預(yù)報業(yè)務(wù)模式的系統(tǒng)性誤差進行分析和診斷，從而在模式預(yù)報產(chǎn)品中盡可能減小系統(tǒng)性誤差，達到改善數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品質(zhì)量從而提高氣象業(yè)務(wù)預(yù)報準(zhǔn)確性的目的。