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专题报道

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国际机构介绍专辑——美国国家环境预报中心(NCEP) 发布日期 :2024-04-07  

0 概述 

  如果将各国气象主管机构按照级别进行划分,NCEP应该类似于中国的“处级”机构。但是,NCEP无疑又是世界上最大和最为重要的“处级”气象机构:因为美国气象部门的几乎所有和预报相关的产品和服务,均出自NCEP,其下属的九大业务中心几乎涵盖了所有时间、空间尺度和气象要素相关的预报业务和服务。

  2013年1月,在美国得克萨斯的奥斯汀,美国气象学会年会如期召开。时任NCEP主任的Uccellini博士,在其“把预报带入新阶段——推进预报事业为决策支撑服务”的演讲中,先用一张NCEP的工作场景照片说明,现代天气预报中心,至少在外观上,和先进的潜艇指挥中心或高盛投资公司的贸易大厅十分相像。他强调指出,近年来天气预报的进步,是可以用量化的方式进行“测量”或验证的,而这种测量和验证,也是预报技术进步中的关键一环。当然,从现代预报理念出发,无论是测量还是验证,预报的不确定性都是其中的内容之一。在这方面,Uccellini博士自信地指出,美国气象局在传达预报产品的不确定性方面已经做到了最好。

  美国天气预报的历史,可以回溯到1880年代。借助电报的发明,美国陆军信号集团从1887年10月28日开始,提供天气“指数”。然而,Uccellini博士认为,,从1880年代到1940年代,美国的天气预报还是一种“艺术”而非科学,直到完成从主观预报向基于模式的客观预报的转化,天气预报才步入科学的轨道。正是在这次会议上,这位美国多种大气、海洋模式的管理者透露,为了集中全国的优势,美国天气气候预报界下一步将建立国家统一业务预报能力(National Unified Operational Prediction Capability,NUOPC)平台,并通过该平台形成国家预报的合力。

  2013年2月,NOAA宣布Uccellini博士将出任新的美国气象局局长。Uccellini博士提到的平台和一些理念,也有望更加顺畅地落地。

  

1 环境模式中心(EMC)

• 发展历程 

  1954年7月,为了用计算机试验数值天气预报技术,成立了联合数值天气预报部门(JNWPU)。1955年,在JNWPU的管理下业务化数值天气预报开始在美国运营。后来,JNWPU与海军空军天气局分析中心协同合作成立了国家天气分析中心,当时该中心坐落在马里兰州的休特兰。1958年1月,该机构的名称也重新命名为国家气象中心(NWC)。1961年JNWPU解散后,NWC成为一个来自全球天气中心和海军舰队数值天气中心的独立机构。

  随着研究和计算机处理能力的提高,1966年6月,第1个全球天气模型开始在NWC运行。在1974和1976年间,NWC搬到了马里兰州坎普泉的世界天气大厦。1995年10月1日,NWC加入到NCEP中,成为了它的一个子单位,并且改名为EMC。EMC在2012年9月搬到了国家天气气候预测中心大厦,如图1.1左

  

• 机构概况 

  对比中国气象局,EMC相当于气象中心下的数值预报中心,位于研究向业务转化的关口(图1.1右)。EMC的主要职责是增强、转换操作和维护20余种数值预报系统,这些数值预报系统组成了NCEP的一系列业务产品。EMC下设3个部门,相当于科室,分别为:全球气候和天气模型部门、中尺度模型部门和海洋模型与分析部门。同时,EMC还配备有6个研究团队,分别为:气候团队、资料同化团队、集合与后处理团队、地表团队、软件工程团队和飓风团队。研究团队中的人员是分布在这3个部门中的,具有交叉性质,1个研究团队可能分别拥有3个部门的人员。对比我们而言,这就相当于几个部门的人共同参与一个重点科研项目。

  需要特别说明的是,EMC虽然是一个独立的部门,但是与NCEP下的其他中心,都是相辅相成的,因为任何一个部门所用到的数值模型都是该部门运行和研发的。另外,NCO(The netCDF Operators)与EMC在业务上的合作应该是最密切的,因为NCO主要承担数值分析与预报模式的日常运行与维护和产品分发,并通过计算机通信网实现资源共享。由此可以推断,EMC各类数值模型开发的具体工作或者说代码的编写工作主要由NCO来完成,更通俗一点讲,EMC属于研究团队,NCO属于协助开发团队。

• 工作近况 

  目前EMC的模型正朝着统一、简化的模型产品导向发展,不过他们仍然希望将来能在其他方面做的更多,比如:在环境模型产品中的新要素和模型结果后处理的再预报,从而对模型有更灵活和快捷的改善。然而这种改善需要在后处理方面多下功夫。如果功夫不够,首先在涉及全球和区域模型方面在破坏业务的同时破坏整体。另外还会造成影响有统一建模方法的推广。如果想要功夫做得够多,那么就会有新兴的需求,比如:国家天气预报、高影响事件、天气到气候的无缝隙产品和除了天气预报之外的一些产品(诸如:大气、陆地、冰、海洋、气溶胶等于生态系统相关的因素;水文循环等)。当然想要更快的改善有一些强制因素,那就是科学技术的进步,这包括下面一些内容,观测系统、高性能计算、数据的发布、数值引导系统(包括数据同化的方法;物理、耦合动态系统的模型;集合;智能的后处理)和预测能力(包括对流系统方面和季节到年际方面)。

• 评估工作 

  评估工作对于推进气象事业的发展非常重要,NCEP也充分地意识到了这个问题。不过,评估的方式是多种多样的,有机构内的自我评估,也有第三方评估。从2009年开始,NCEP采取第三方评估的方式对其下属的各个部门逐年进行评估,并撰写评估报告,与NCEP合作的第三方评估机构为UCAR(美国大气研究大学联盟)。

  对EMC来说,目前有三次评估报告,分别为:2009年、2010年和2013年。每次评估报告基本以一个财年为时间段,而且会随着时间的推移不断地进行修订。每一份评估报告分别从评估建议、行动计划、目前的状态和截止日期四个方面进行描述,如图1.2所示。图中黄色加重部分表示修订后新添加的内容。

  从评估报告的内容看来,评估所涵盖的范围比较广泛,分别有任务与愿景、客户与合作伙伴、产品与服务、信息系统、科学技术、人员与组织文化、业务流程等方面。值得关注的是,EMC每一份评估报告中,对于每一项内容都有详细的分析,包括目前状况的原因、是否满足EMC的预期以及各项指标下一步走势的预测。

• 战略规划

  EMC的战略规划可以描述为模型战略(同时也是NOAA的模型战略),EMC最新的战略规划融入在NCEP近期发布的战略规划中(2015—2019战略规划)。NCEP从整个部门的范围来讲,它的任务和愿景是为国家和全球提供天气、水文、气候的产品与服务,以此来确保人们的生活、财产和经济发展。与NECP的战略愿景相契合,EMC的模型战略中首要是想发展和实施一种新的全球统一的耦合数据同化和模型产品。对于该产品,详细的分为三点:

  (1)耦合大气、电离层、海洋、海冰、海浪、陆地和化学因素。

  (2)发展模式感知物理法来确保建模的统一。

  (3)实施下一代全球预报系统动态核心。

  说到全球预报系统(GFS),EMC在2015年也将会有重大突破,因为GFS的分辨率将要达到13km,这几乎提高了两倍(目前为23km),当然分辨率的改变也伴随着其他的改变,比如:可预报天数从8天增加到10天;高分辨率地形、改善的初始雪量控制、日常的高质量海面温度和海冰分析;新型观测资料;改进的卫星同化算法等。

  除了发展全球耦合数据同化产品外,EMC模型战略规划还有其他战略部署,分别有:

  (1)实施北美多模型集合预报系统。

  (2)实施业务化的空间天气模型。

  (3)消除模型实施过程中的瓶颈。

  (4)与OAR(海洋与大气研究所)和NASA合作实施快速更新的短期风暴集合模型,以此来支持应急管理和国家航空系统对于小时时间尺度的决策制定。

• EMC结论 

  关于EMC的简介资料分别来自NCEP年度述职报告、NCEP战略规划(2015—2019)、NCEP官网资料、维基百科和百度百科。

  当然NCEP的数值预报和科研能力是毋庸置疑的,从EMC各类功能全面的模式系统就能说明,但是除此之外,还有几点非常值得我们注意:

  (1)在收集EMC资料的过程中笔者发现,EMC各个部门以及各个研究团队拥有很多的华人工作者,而且很多华人学者还是某一项目或者某一模式系统的主要负责人。另外,从EMC的机构和研究团队划分来看,也与我们相差不大,那么为什么我们的模式系统没有处于世界领先地位呢?这确实是值得我们思考的一个问题。然而通过这个问题我们也能确信,华人的研究和业务能力有很多是具有世界级水平的。因此,首先,我们要建立起我们的信心。其次,在认真剖析国外气象机构的工作机制和业务划分的同时,怎样借鉴他们挖掘气象人才的方式方法,也同样值得我们关注。

  (2)EMC的评估工作做的非常到位,前面笔者已经介绍过,NCEP的评估主要采取第三方的方式。而且评估报告的内容还随着时间的推移不断地进行修订。这一亮点同样值得我们学习和借鉴。因为,评估工作可以随时让我们认识到自身的不足以及今后的发展路线。因此,认真做好评估工作在推进我国气象事业的发展,推动我国气象现代化建设的过程中是至关重要的。