■ 賈朋群 張萌

2022年初召開的美國氣象學會（AMS）第102屆年會上，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的統(tǒng)一預報系統(tǒng)（Unified Forecast System，UFS）成為多個分會場最熱的主題之一。簡要回顧UFS不長的歷史，一些新理念的提出，折射出已經(jīng)開始并在未來將不斷強化的圍繞被稱為國家芯片的氣象預報系統(tǒng)發(fā)展的新維度。

2014年UFS的概念最早在美國出現(xiàn)，當時作為美國下一代預報系統(tǒng)（NGGPS）的組成部分，意在統(tǒng)一預報在“應用”層面上的編碼和基礎設施，讓系統(tǒng)的編碼走向開放和社區(qū)化。然而，此時因為NGGPS僅僅是NOAA，甚至具體到NWS（國家氣象局），所用的開發(fā)、社區(qū)等，在意境上更多瞄準從NWS到NOAA的擴大。

2017年美國聯(lián)邦政府通過的《天氣研究和創(chuàng)新法》，帶來了NOAA創(chuàng)新必須汲取更廣泛資源的氛圍。就在該法案出臺前一年AMS的一次會議上，來自企業(yè)、高校和NOAA的學者在一張餐巾紙上勾畫出的EPIC（Earth Prediction Innovation Center，地球預報創(chuàng)新中心）和擴大到更廣泛社區(qū)的UFS呼之欲出（圖1）。

圖1 在AMS的一次會上，來自企業(yè)、高校和NOAA的幾位學者在一張餐巾紙上勾勒出的EPIC和UFS框架（來源：https://doi.org/10.1175/BAMS-D-21-0030.1）

國家立法和業(yè)務、高校及企業(yè)三方學者通過頭腦風暴的策劃，很快讓UFS“統(tǒng)一”的成色升級。其中，最具意義的是同樣在NGGPS資助下，由NOAA主導的全球模式試驗平臺（GMTB）開發(fā)的CCPP（Common Community Physics Package，通用物理包），在2018年前一直是在NOAA內(nèi)部開發(fā)。2019年，NOAA和NCAR達成協(xié)議，合作開發(fā)CCPP框架（CCPP-Framework），作為兩家統(tǒng)一預報系統(tǒng)（UFS）和大氣集成模式系統(tǒng)（SIMA）的一部分。而且，CCPP作為UFS重要的工具和編程接口，其升級和開源代碼一直通過軟件開發(fā)托管平臺GitHub自由分發(fā)。這時，UFS概念中的“統(tǒng)一”真正在至少整個美國學界落地，UFS也開始步NCAR開發(fā)著名的WRF模式的機制，以“眾籌”方式面向創(chuàng)新者而“不問西東”，UFS的官方網(wǎng)頁https://ufscommunity.org也徹底獨立化成為真正的“第三方”。

UFS項目的實施，還為NOAA預報系統(tǒng)（即GFS模式）走上軟件工程意義上有序管理帶來機會。伴隨UFS開放式的發(fā)展進程，GFS需要實施代碼重構(gòu)，并且制定完善和用戶友好的文檔以方便外部的介入。這對于最早在1970年代后期開始編程的GFS，意義或許也是重大的。甚至很多NOAA內(nèi)部人員，都認為數(shù)代研發(fā)人員、以百萬計程序語句組成的GFS，猶如一個復雜的拼圖迷宮（jigsaw puzzle），加上開發(fā)一直在內(nèi)部進行，不僅程序僅僅適用于氣象部門內(nèi)部硬件而無法在其他計算系統(tǒng)上運行，就連各種技術(shù)手冊等輔助材料也基本缺失。

可以期待，基于UFS的新版本GFS，其效益包括但不限于：強化了公司氣象編程人員之間的合作；模式在氣象企業(yè)有了更多的開展定制服務的機會；預報模式衍生產(chǎn)品和后端增值更加順暢和有效；與計算硬件平臺無關的GFS編碼保持價格競爭力；最后，也是最重要的，UFS帶來NOAA模式開放范式的轉(zhuǎn)變：“眾籌”讓模式研發(fā)走得更遠的同時，也為業(yè)務模式越做越強帶來了機會（圖2）。

圖2 在UFS研發(fā)環(huán)境和流程中，前部更多共享激活了更多參與者，而在選擇投入業(yè)務的一系列測試和不斷反復的改進過程，成為更高水平業(yè)務模式的造血機制（來源：UFS Quarterly, July to December 2021）