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现代化特稿

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摧毁“死亡之谷” ——美国天气领域中试平台 发布日期 :2020-05-14  
  在美国, 中试平台(test bed)逐渐成为气象事业整体不可分割的部分,它通过转化创新工具和试验预测新方法,在研究和预报服务之间架起一座桥梁。
  1 中试平台——“死亡之谷”的克星
  2000 年,美国科学院在一份名为《在天气卫星和数值天气预报领域从研究到业务:跨越死亡之谷》的报告中,尖锐地指出,气象研究如果无法与气象业务实践结合在一起,“死亡之谷”的悲剧在所难免。 进入 21 世纪的 10 多年来,瞄准高影响天气和气象核心工具——观测、模式和主要物理过程的基本认识的各种中试平台不断涌现。而这些中试平台,就是为了打破“死亡之谷”的魔咒,让气象科技研究进展第一时间成为加强和提高气象业务能力的利器。目前,这些中试平台依旧存在,且运转活跃,影响在加大。本文针对与天气预报密切相关的美国中试平台进行介绍,重点放在其取得的效益和推动及运行的牵引力的揭示,展望未来中试平台的发展。

  右图是很多读者熟知的中试平台概念图,在绿色箭头所指的程序中运行的,可以是假设的项目,也可以是一个工具或概念,包括创新、展示、评估或向业务的转化,而业务的主持机构可以是国家、州或地方组织(图中缩写字: NOS = National Ocean Service, 国家 海 洋 局 ; USBR = United States Bureau of Reclamation, 美国垦务局; USACE = U.S. Army Corpsof Engineers, 美国陆军工程兵团)。
  在美国确定天气研究计划(U.S. Weather Research Program, USWRP)的时候,就曾经在其目标里提出更加有效地联系天气研究与预报业务,在落实这种联系的时候,曾经提出国家另拨款大约每年 1 亿美元,用于填补二者之间的沟壑。 虽然这样的预算并没有实现,但是NOAA 每年获得大约 300 万美元用于 USWRP。正是这笔不大的拨款,孕育了 NOAA 参与其中的中试平台,目前其中的一些中试平台已经获得了稳定和长期的资助。 这些来自中试平台主办机构的资助,除了 NOAA 以外,还包括了 NASA、 FAA 和 DoD(国防部)等机构。中试平台的影响,也冲出了 NOAA,获得了极大提升。目前, 中试平台的准确数量不好统计,但其支持力度很容易达到每年 100-500 万美元,其中包括核心投入和项目资助。正是中试平台的核心投入,让其具有了长期运作和能量开发的基础,而项目支持让这些中试平台有的放矢,且通常走上协同创新这一最科学化的路子。一个中试平台的建设,一般要经过开始2—4 年经费支持在 10-50 万美元之间的提升期。
  中试平台的产出领域广泛,从导致更好的模拟和预报工具的新的科学认知,到如何应用天气信息的更深刻体会,再到改进的社会服务等等。然而, 尽管中试平台百花齐放,但也存在某种意义上的对称:它们通常包括一个核心实验室以及依托实验室的学者和各种可以为研究进行各种改进的研究、试验工具。此外,还会有一个 NCEP 的“中心” 成为中试平台的一部分,共享业务上适宜采用的新方法和工具的设计、验证及采用等过程。而作为业务和管理机构的天气预报办事室(WFO)和河流预报室(RFC),因为是预报的关键用户而热衷其中。在NOAA 外围,美国高校师生一直加入其中,这样的实践活动还为即将毕业的研究生带来了就业机会,从而为气象局和 NOAA 的实验室输送了新血液。中试平台活动的产出还可以是“无形”的,比如,提出改进业务能力的一个新的研究方向,或者让预报员认识到已有观测、模式或预报工具, 在新的科学思想或预报思路中具有的以往没有被认识到的新价值所在等等。
  到 2008 年,随着一些中试平台的建立和产出重要成果,包括出版物、新工具或方法演示和向预报业务的转化等,其重要性被进一步明确, NOAA 决定组织“NOAA 中试平台学术会”,交流中试平台运作和推进业务能力的经验。 2009 年 4 月, 70 余位专家出席了第一次学术会, NOAA 中试平台专门网站(www.testbeds.noaa.gov)和专门刊物( NOAA Testbed newsletter) 在会后推出。 2010 年、 2012 年和 2013 年, 又相继召开了三届会议。
  在 2010 年第二次学术会上,提出了中试平台需要更广泛协调的需求,尤其是在建立NOAA 新的观测和模拟基础设施方面更是如此。此外, 中试平台能力缺欠也被清醒地认识到; 同样被认识到,是中试平台的发展要成为 NOAA 的战略。为此, NOAA 成立了中试平台和试验场协调委员会(Testbeds and Proving Ground Coordinating Committee)。 该委员会包含中试平台和试验场的管理人员及相关 NOAA 直属机构代表,专题学术交流会也转由该委员会组织筹办。 至此, 中试平台在 NOAA 从自发性的组织,转化为常规的将研究学术界和业务发展密切联系在一起的重要机构。
  2 中试平台近况介绍
  2.1 DTC——中试平台核心机构

  DTC(Developmental Testbed Center, 中试平台开发中心)是 NOAA 针对数值天气预报(NWP)的重要中试平台机构之一,DTC 提供各种设施,供NWP 研究团队验证和评估新模式和技术是否可以在研究和业务中应用。DTC 成功地将研究团队与业务团队结合起来,是中试平台发挥其既定效益的关键所在(上图)。
  通过 DTC,研究者可以获得功能上与业务环境相同的平台,利用以往的天气过程和案例,检验和评估新的 NWP 方法。而业务人员可以从 DTC 的检验和评估中,在新的业务应用之前了解新 NWP 产品的优缺点。这样的缓冲和伸缩机制,在拉近了研究与业务距离的同时, 也加快了新技术转化和预报方法的改进。

  右图是 DTC 的组织结构,它的主办者包括了美国最为关注 NWP 发展的三方:NOAA、空军天气局( Air Force Weather Agency, AFWA)和 NSF。
  从 2013 财年各主办方经费支持(左表)和同期 DTC 经费分布(右表)来看, NOAA的海洋大气研究院(OAR)是 DTC 最大的投入方,也说明了数值天气预报业务应用在OAR 目标中的地位。虽然着重于基础研究的 NSF 作为主办机构之一投入不多,但其在数值天气预报研究界的号召力也是“无形”的支持。 DTC 内部分配较为平均,中尺度模拟和飓风是最大的投入方向。

  下表给出了 DTC 近期研究项目,其全部 PI 均来自美国高校——美国科技创新最为旺盛的机构。因此, DTC 乃至整个中试平台都是美国“局校合作”最重要的机制。从研究内容上看,都是气象业务最具挑战性的课题。


  从 DTC 最近的访问者研究计划(上表)看, 除了支持的学者主要来自高校外,国际同行(英国气象局学者)也位列其中。
  实际上,在 DTC 的网页上,任何人都可以自由申请到 DTC 工作访问,不仅如此,很多数值天气预报产品和环境,还可以在 DTC 上获得。例如,在世界 NWP 领域享有极高荣誉的 WRF 模式,就可以在这里获得最新更新的模式版本(2013 年, DTC 就分别在 4 月 18 日和 9 月 23 日发布了 WRF 模式的 v3.5 和 v3.51 版本,另外在 WRF 网页上也有 DTC 的链接)。DTC 还提供很多与模式配套的资料(同化)、 软件、 模式评估工具、 验证工具和飓风等专门的多圈层耦合模式等。
  DTC 主办的各种培训和研讨班,也开始受到更多的欢迎。特别珍贵的是,这些培训和研讨课件都会在结束后上网, 供感兴趣的人学习,体会数值预报技术的发展脉络和一些细节的不断改进的进程。

  2.2 JHT——联合飓风中试平台  
  2000 年末, USWRP 成立了 JHT(JOINT HURRICANE TESTBEDS)。 JHT 旨在平稳和快速地将新的技术、研究成果和观测进展转化到业务中心的热带气旋分析和预测中。 JHT 位于国家飓风中心(NHC),其运作由一系列参考文件所框定:其组织和运行机制。联邦政府通过 NOAA, 支持科学家为业务环境定制他们的技术。 JHT 总的年预算在 100 万到 150 万美元之间, 这些经费都来自 USWRP。尽管 NOAA/USWRP 向 JHT 的基础设施提供了一些经费,JHT 主要依靠 NHC,面向预报员、管理者、技术人员并提供必要的后勤支持。 NHC 的预报员是 JHT 的科学“切入点”(“points of contact”),在整个项目周期里提供指导。 NHC 还维护 JHT 的计算机设备,提供实时数据; 同时与项目研究者合作,促进检验和评估。研究者还和其他国家中心(如 NCEP/环境模拟中心(EMC))共同开展研究。 NOAA/大西洋海洋和气象实验室(Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory, AOML)所属的飓风研究部(Hurricane Research Division, HRD)是 JHT 的主要研究伙伴,进十年来一直为 JHT输送两个重要岗位的研究人员; 一位 HRD 的高级科学家是 JHT 的指导委员会(SC)成员,并作为 SC 的研究合作主任。而 HRD 的两个管理助理之一的任务,就是支持 JHT 主任的工作。 HRD 的科学家已经投送了大量中试平台项目建议并获得资助,其中的一些项目已经让NHC 的预报业务受益。
  2001 年以来, JHT 支持了 74 个项目,其中 60 个项目完成,其中 39.5 个项目成果应用于业务,转化率较高; 6 个项目完成但被拒绝转化成业务; 9.5 个项目完成,但是否应用于业务在等待进一步研究(决策延期),其余 14 个项目在进行中。下图给出 JHT 项目成功业务化的例子: NHC 发布的飓风风速分布概率产品(图和文字, 下图)。

  JHT 的立项选题,是和 NHC 预报员关注的科学问题保持高度一致的。例如, 下页图给出了 JHT2003 年度和 2011 年度优先资助领域的分布,其中的变化(箭头)和增加(红色字)或修正(黄色字)的内容,就是来自预报一线。


   由于 JHT 成功的运作, 以及近年来飓风灾害在美国带来越来越大的影响,以改进飓风预报业务为主要目的 JHT 获得了更加广泛的支持。目前,其年度预算保持在 100 万美元以上(右上图)。 值得注意的是在这些预算中,真正来自 NOAA 的支持,与21 世纪前 10 年比较,其比例降低很多, 而来自美国大学的研究经费逐渐占据更大比例。 例如, 2001—2010 年NOAA 的经费占 1/4,来自学术界的经费为36%(右下图)。而目前学术界的经费在 80%左右。但是,在经费支持方面,来自私企的经费比例在明显减少。

   2.3 JCSDA——卫星数据同化联合中心
  JCSDA 成立于 2001 年, 以改进和加速研究业务卫星数据在数值天气、海洋、气候和环境分析及预报中的应用为己任。其成立由 NOAA 和 NASA 共同资助,美国国防部(包括美国海军和空军)后来也加入其中。而在这些机构介入前 ,还是USWRP 项目培育了 JCSDA 最初的活动。JCSDA 从事的活动是重要的同化领域,涉及大量计算,而 JCSDA 的存在,提供了很多该领域的共同软件和基础程序标准并提供给相关机构。这一机制对于目前每天数十亿卫星观测数据的充分利用至关重要。负载在 JCSDA 的,在卫星资料同化方面的同盟合作类似“维基百科”的机制,使得更多的机构和用户借助公共数据和软件环境投入卫星资料的各种开发利用,也让美国提前做好了应对今后 10 年卫星观测带来的卫星“数据洪水(the flood of data)”的消化、吸收和应用的准备。这种“数据洪水”是典型的所谓“大数据”,过去 10 年仅 50 个新投入负载的卫星传感器就让气象卫星数据增加了 10 万倍。

  目前, JCSDA 的合作机构几乎包括了美国所有卫星资料同化机构(上图): NOAA 的NWS、 OAR 和 NESDIS; NASA 的 GSFC; 美国空军天气局(AFWA)和美国海军。 JCSDA 还接受定期独立评估,对其科技优先领域和战略发展方向给予指导。
  目前, JCSDA 的优先支持领域包括:辐射传输、云和降水、先进仪器、陆地数据同化、海洋数据同化和大气化学及气溶胶等。 JCSDA 成功对业务预报提供支持的例子包括:推进CRTM(the Community Radiative Transfer Model,公用辐射传输模式)算法、评估 AIRS(Advanced Infrared Sounder,先进红外探测)和 MODIS 数据同化的影响以及在对数据适当“压缩”后向全球业务中心提供 AIRS 数据等。

  在 JCSDA 的近期和未来研究目标(右图)中,包括了几乎所有重要的气象卫星(其中, FY3 被列为尚未活动资助的目标),其科学敏感性的提前,可以在真正意义上引领气象业务的现代化。
  2.4 HWT——灾害天气中试平台
  灾害天气是各国气象部门最为关注的, HWT(HAZARDOUS WEATHER TESTBED)也因此具有最厚重的历史。早在 1950 年代,来自激烈局地风暴预警局(Severe Local Storms Warning Service, SELS)的预报员和 NSSP(National Severe Storms Project,国家激烈风暴计划)的研究者就在堪萨斯城开始了最好的业务与研究人员之间的交流。后来, NSSP 在 1960年代初成为 NSSL(National Severe Storms Laboratory)并移到 Norman 后,这种交流反而无疾而终。但是这个传统,即研究人员与业务预报员保持联系和交流,在 NSSL 通过与当地WFO 的合作被保留下来。
  当 1990 年代初 NCEP 开始筹建的时候,研究和业务的密切结合问题被重新提起,而那时 SELS 已经成为 SPC(Storm Prediction Center)。于是, SPC 与 NSSL 的纽带被修复。 NSSL和 SPC 确认,建议一个由研究者和预报员组成的小组,就研究向业务转化开展工作。该小组最终聚焦在 NWP 模式更加有效被预报员用于激烈天气预报,以及对预报员开展模式培训、告知研究者业务预报员的需求和限制、以及研究和业务之间知识、工具和洞察力双向交流。这些活动,无疑就是中试平台上的主要内容。

  于是, 2000 年春天,“破冰”项目建立并成为以后每年的样板。在样板项目里,预报员和研究者组成一个规模不大的小组,肩并肩迎接预报的挑战,寻求解决困难的预报问题(右图),这样的机制被证明非常有效。这一机制激活了 Norman 气象界,气象研发和业务人员之间的合作就此开展起来, HWT 于是应运而生。有时候既使没有资助, 如一些“自带干粮”等研发合作也已经借助中试平台自觉开展。
  2006 年, NSSL、 SPC 和 Norman 的 WFO 一起进入位于 OU(University of Oklahoma )气象学院的国家天气中心(the National Weather Center)大楼, HWT 宣布正式成立。

  由于 Norman 的灾害天气大多发生在对流强烈的春节,因此, HWT 的很多专门术语都和春天相关:春天项目(HWT 的项目) 和春天试验等。与早期的工作相比,位于国家天气中心的 HWT 目前规模更大(左图)。例如, 2012 年春天试验于 5 月 7—25日和 6 月 4—15 日分两个阶段进行,参与人员包括 NWS 的 29 人(其中, WFO,19 人, CWSU 和 WDTB 各 5 人)、AFWA1 人、加拿大和德国科学家共 3人,学术界 12 人。 这次试验的 3 个目的很明确: GOES-R 与未来可能的卫星产品、开发基于预报的警报模型和最佳研究经验的业务转化。
  2.5 SPoRT——短期预报研究和转化
  SPoRT( SHORT-TERM PREDICTION RESEARCH AND TRANSITION)瞄准 NASA、 NOAA 和 DoD卫星数据和相关研究能力,为改进区域和地方短期业务预报做出努力。最早是NASA 于 2002 年建立了这个中试平台,目的是利用实时的 MODIS、 AIRS 和EOS 携带的先进微波扫描辐射计(Advanced Microwave Scanning Radiometer)数据,改进美国南部 WFO 共同的预报问题。 SPoRT 的运作,是基于NASA 在阿拉巴马州的 Huntsville 的设施,同时与 NWS WFO 进行合作。目前, SPoRT 的管理接受一个跨部门、 每 4 年轮换委员的科学指导委员会的指导。

  SPoRT 在美国全国拥有众多合作机构(上图),这些合作者可以分为产品开发、国家中心评估以及 NEW 区域和 WFO 等几个层次,兼顾了研究机构和应用机构。除了内部机构之外, SPoRT 还聘请了外部机构的合作者。
  与 NOAA 的视角略有不同, NASA 作为主要主办机构的 SPoRT 瞄准的问题,更多是对激烈天气的描述,例如,发生时间地点的精确时空定位、地形和其他局地特征对天气形势的影响和改变、因烟雾和低云导致的地表能见度降低、因海陆风环流带来的天气变化的预报、在数据空白区监测天气状况等,从而发挥其卫星数据繁多的优势。 SPoRT 的参与者包括了整个预报过程不同阶段的预报员——他们面对的预报问题涉及不同方面:资料和研究能力、准业务环境下检验方案和被证实的方案向预报员决策支持系统的转化。SPoRT 还进行开发产品的培训,并且在产品评估中包括了预报员面对预报难题时应用产品的能力。
  近年来, SPoRT 开发了大量针对不同卫星和传感器的业务应用产品(下表),这些产品在其网站实现了实时更新,供全球用户使用, 并且获得了很好的应用效果。 其中针对实时和高分辨率的 MODIS 图像开发的产品,对于预报员在短临预报应用中感知天气形势起到了重要作用 。SPoRT还和其他NOAA 中试平台合作,致力于预报问题研究和产品开发,已经开发并得到广泛应用的产品,例如,高分辨增强 MODIS/EOS 先进微波扫描辐射计(AMSR-E)海表温度(SST)合成产品、 NASA 陆地信息系统(LIS)陆地表明信息、 AIRS 大气探测信息等,都用于实时 WRF 确定预报。接近准实时的 LIS 数据和 SST 合成产品还进入 WRF 环境模拟系统,向预报员提供唯一的区域预报应用工具。 SPoRT 还与GOES-R 试验场一起,开发和转化 ABI( the Advanced Baseline Imagery)和 GLM(Geostationary Lightning Mapper)发射前的代用资料和产品, 为预报员利用新的观测资料做好准备。 在南方区域的 WFO,地面网的总闪观测被用来延长激烈天气警报的提前发布时间。 GOES-R 上的 GLM 也具备同样的观测能力, 因此,未来其很可能与地面监测网一起更好地改进激烈天气预警。目前, SPoRT 的所有数据,由预报员进行登记后,通过专门的 SPoRTblog 网站(weather.msfc.nasa.gov/sportblog)向全球发布。

  今后几年, SPoRT 要将其转化活动, 拓展到提前将新的卫星观测融入全国 WFO 的先进决策支持系统中。 SPoRT 的工作,不仅实现了新卫星升空和新卫星能力应用的准同步,更有利于美国利用中试平台, 为新一代卫星功能的设计提供的应用依据。而以 SPoRT 为代表的国家层面开发团队,与美国全国 WFO 之间的密切合作,无疑最有效地将前沿科研与一线应用联系到了一起。
  2.6 GOES-R 试验场
  前面提到的 SPoRT 活动,有些是和 GOES-R 试验场合作完成的,而 GOES-R 试验场(GOES-R Proving Ground)本身,也是重要的中试平台之一。 GOES-R 试验场创建于 2008年,目的是让用户加快认识和利用计划在 2015 年发射的下一代美国静止环境卫星资料。GOES-R 试验场的概念,也是来自用户,最早是在 2004 年 GOES 用户大会上被提出,背景是 GOES-R 与当时的 GOES 相比,很多新的和先进的能力,需要提前向用户进行业务化前的展示。这里所说的用户,包括了 NWS 预报、监测和预警人员,以及相关部门用户。为了迎接未来新卫星的先进功能,各种用户需要在发射前很长时间,完成 AWIPS 向 AWIPS-II的过渡,才有可能第一时间享受 GOES-R 带来的业务能力提升。实际上 , 未来GOES-R能力的技术原型,或者说是展示平台已经通过当前卫星和陆地观测系统很好地仿真模拟(右图),换句话说,通过 GOES-R 试验场的工作 ,GOES-R卫星在其发射前数年,就已经被预报员用户所“熟知”,尽享其较目前 GOES 图像更高的空间、谱和时间分辨率;还能够通过实际上来自 WRF 等模式的合成云图和水汽图像,感受未来更加“真切”的图像产品。 下图是 2012年展示试验现场示意图。


  GOES-R 试验场的一项关键工作,是建立在提供新产品及技术的研究者和预报员之间双向交流的渠道,后者能够提供反馈和改进业务的思想,从而让业务系统不断前行。例如,在HWT, GOES-R项目提供全国10-15预报员的资金支持,被HWT选中的预报员,参加GOES-R能力带来的预警产品评估(这些能力包括,例如 WRF 模拟的云和水汽图像、对流发生、过辐射顶端探测和总闪量等),对其在激烈和高影响天气方面能力提升做出评价。
  鉴于卫星平台的频繁更新和换代, 以及其探测能力对气象业务能力提升的重要性, GOES-R 试验场已经形成了一套较为成熟的新卫星准备过程(右图为 GOES-R 用户准备程序图)。

  3 小结和讨论
  在 2013 年中试平台年会上, 中试平台科学家给出了天气预报领域研究和业务互动框架的阶段规律及其中试平台(TB)和试验场(PG)在其中的位置和作用(下表)。不同阶段面临的主要科学问题、主要指标和参与群体的改变,示着主宰机制和激励体制的改变,更需要打造类似中试平台这样的极端“务实”的实体,参与其中。


  面对中试平台这样的新体制和机制,在国家对 NOAA 进行考核(GPRA 指标)的指标很难改动和新增加的情况下,如何对投入越来越多的中试平台和试验场从业人员进行考核,也是实际运行中的重要问题。 NOAA 采取了修正预报服务这一重要指标,即在 NOAA 考核体系中,预报服务的基础,包括了之前的科学和技术创新, 在这里概括了中试平台最主要的工作(右图)。考核体系的改进,也让中试平台这一最看重结果的过渡机制,能够让参与人员脚踏实地地奉献出关键智慧。同时,这样的考核机制完善,也在很大程度上落实了“需求牵引”,让更多的资源和人力,围绕和聚焦业务短板,从而让事业不断前行。