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NGGPS:可否肩负下一代天气气候模式之使命? 发布日期 :2020-06-16  

0  引言 

  自从2014年10月日本葵花-8卫星升空后,卫星探测的下一代卫星就让全世界气象界有了新的期盼:卫星代表的气象探测升级换代,也许能促进计算机模式换代的来临。事实的确如此!2014年开始,世界上最主要气象预报中心,纷纷提出未来5年左右模式升级换代的计划(见本刊2015年1期)。其中,因为与美国气象局和NCEP未来发展计划和实施战略紧密捆绑,并且几乎同时启动和引入了新的竞争机制的美国下一代全球预报系统,从提出就明确作为美国目前业务预报模式(GFS)的换代模式,并将在5年后实现业务化和支持多种应用。面对欧洲主要竞争者强大优势,自身能力受到广泛诟病的美国气象主管部门,在某种意义上采用“造船出海”模式,试图“弯道超车”并颠覆性更换业务模式的战略和其已经开始的周密实施过程,受到了美国各界乃至全球气象界的高度关注。

1  NGGPS计划:作为R2O项目的出台

  美国海洋大气局(NOAA)国家气象局(NWS)履行其使命的核心支撑之一,就是NWS所属的NCEP(国家环境预报中心)的全球数值天气预报系统。该系统为各种区域大气和海洋模式、空间天气应用、空气质量预报等提供初始条件数据和状态,是NCEP核心能力中的重要组成部分。

  为了建设天气有序国家,NWS不断更新其预报技术,通过研发将最先进的预报技术用于业务。这一进程在2012年因桑迪飓风袭击美国东海岸并造成了巨大损失而被加速。作为美国桑迪飓风重建战略(图1.1)的落实步骤,在美国气象局能力建设的研究向业务转化项目(R2O)中,下一代全球预报模式系统建设被提上日程。美国国会向该项目拨款1480万美元作为R2O项目基金,支持最先进的预报模式系统的研发。同时还拨款1500万美元用于提高业务高性能计算(HPC)能力,以支撑新模式的业务化运行。两笔经费通过NWS和OAR(海洋大气研究院,隶属于NOAA)运作,并且从2014财年开始,国会的特别经费支持开始到位。国会在桑迪飓风后给予NOAA的特别支持,主要凝聚在其下一代全球预报系统的研发上。NGGPS在美国政府推动下浮出了水面,2014年10月,NGGPS项目计划实施方案发布(图1.2)。

  

  NGGPS模式的定位,在于其“统一”功能:即将成为5年后美国气象部门支撑所有预报产品的全球耦合模式(图1.3)。其应用按照时间域跨越了短期天气、延伸期(1周到4-6周)和季节及年预报的几乎所有天气气候预报产品的时段。一旦NGGPS如期和保证质量地完成,其业务应用受益时间,预期将从2020年开始持续数十年。

  从更广泛的视野上看,如果NGGPS在2020年前后实现其目标,将意味着很多:一是气象界耳熟能详的无缝隙预报在预报中心全球模式层面上将成为现实,也因此让NGGPS成为新的里程碑,具有创新和革命性的意义;二是由于NGGPS加入了大气化学、空间天气等要素,实际上已经升级到地球系统模式,这也暗示着地球系统模式从研究到应用的转化;最后,伴随NGGPS的研发,NWS的软件平台也将进行实质性的升级换代,适应新天气气候预报系统和最新高性能计算设备的模拟平台,包括系统硬件和软件规范和标准等也将一并实现,这一切无疑具有全球性的示范意义。

2  NGGPS计划内容分析 

•  2014年10月:NGGPS实施计划初稿推出,提出“用5年时间,设计、开发和实施下一代全球预报系统,保持其世界水平的预报能力”。

  美国NOAA推出的下一代全球预报系统,实施的第一步,是从5个已有模式中选取一个作为新模式动力核心部分研发的起点(图2.1),利用大约5年的时间(图2.2),完成新的可扩展非流体静力学模式动力核心的研发。非静力模式的分辨率在3-4km,模式将解决大规模平行计算等关键问题。美国强大的气象科技创新能力,特别是大学和研究机构,早已为其业务部门开发下一代模式,进行了很好的前期工作。已经研制的5个候选模式各具特点和优势,因此,美国气象当局最重要的任务,就是要有一双“慧眼”,优中选优找到最适合的起点模式。而更加全面的地球系统模拟系统,其开发则需要平衡更多要素(图2.3)。

  

  

•  NGGPS的内涵:十大特征诠释什么是下一代模式

  NGGPS开发,虽然将借助各方力量,但该模式未来的完全拥有者是NCEP的环境模拟中心(EMC)。EMC是目前美国气象局所有业务运行模式的拥有者和管理者,而对于有更多“局外人”参与的NGGPS,EMC具有同样的职责。

  NGGPS被称为下一代模式,除了期待预报准确性的提高之外,主要借助的就是其天气气候预报无缝隙在预报模式层面上的实现,从而使得业务核心模式对更多的应用给予最强有力的支持和保障。而NGGPS模式本身,其十大特征也为这样的目标铺就道路。

  特征1:与NOAA业务环境一脉相承

  未来NGGPS模式的业务化运行,依然在目前的NEMS(NOAA Environmental Modeling System, NOAA环境模拟系统)和ESMF(Earth System Modeling Framework,地球环境模拟框架)的环境下。NEMS格点化要素的包装,体现在模式运行、完成、模式重要状态、输入和输出以及标准元数据等各个方面。因此,NGGPS的输出代码等内容,需要用独立的NEMS代码系统完成,从而保证了NGGPS在研制中和完成后,与目前NOAA数值模拟环境的完全对接。下图给出系统的大气部分通过NEMS和ESMF与其他部分耦合示意。

  

  特征2:模式的物理化学内容灵活有效

  未来NGGPS模式将寻求更有效的动力核心,因此,模式的物理化学过程可以相应地分配到更多运算时间。NGGPS在分辨率上将采取更加灵活策略:一是不同高度上有可能采用不同的水平分辨率;二是对某些物理过程甚至采用不同的格点化方案。这样的灵活性能在保证更好地处理物理化学过程的同时,让模式运转更高效。此外,NGGPS将继续采用NUOPC GFS(NUOPC信息,见本段末和最后一节的讨论)物理驱动方案。

  特征3:数据同化-多渠道改进

  NGGPS模式的数据同化(DA)方案在某种程度上决定着整个模式的成败。目前欧洲中心和NCEP在数值预报上的差距,与后者在DA上处于劣势关系极大,因此,在大气同化方面,NGGPS开发组确定了更新和维持当前观测利用、继续开发GSI(Grid-Point Statistical Interpolation,网格点统计插值)混合方案、强化云影响(全天候)辐射资料应用和改进对观测误差的描述、在分析增量中改进水文和动力平衡、在集合成员中改进随机物理机制、增加新的卫星仪器和频道数据以及改进GSI编码的可测量性和有效性等多个优先领域。

  下图给出了气溶胶数据同化框架图,其中观测部分主要来自卫星数据。

  

  特征4:集合预报-湿度扰动改进能力

  在集合预报部分,开发的重点放在海洋、陆地和海冰集合初始化上,部分原因是地面场和降水差距明显。NGGPS试图通过土壤湿度扰动(下图)和陆地表面参数化扰动,使得这样的状况获得改进。

  

  特征5:天气预报-速度和分辨率是关键

  未来NGGPS模式业务化运行是,墙钟每500秒就要做出1次24小时高分辨率预报,天气预报部分可以享38%的业务运算。因此在短期预报方面,NGGPS突出的是速度和分辨率。在短期预报时段,模式动力误差不必小于物理或初始条件误差。此外,模式对各种气体、气溶胶以及TKE等二阶场具有示踪功能。

  特征6:季节预报-速度和守恒是关键

  从季节预报角度看,未来NGGPS模式的物理(和耦合)能力较动力更重要。具备了季节预报能力的NGGPS模式,速度和守恒相对于短期预报动力核心中的分辨率更加重要。动力误差没必要小于物理或边界层驱动的误差。此外,NGGPS应具有“再启动(restart)”能力,这就是说如果设置正常,模式要能够获得细节一致的结果(bit-identical answer)。

  特征7:飓风预报-建立在NEMS改进之上

  NGGPS模式未来业务能力的提升,在很大程度上要靠其对飓风系统预报的改进来诠释。为此,NGGPS支撑体系NEMS的飓风网格动力核心需要作出改进:双向反馈(即包括了升尺度反馈捕捉飓风对环境的影响)和建立风暴跟踪网格。此外,在尺度可调物理、直接从模式获取多格点混合GRIB产品和耦合大气-海浪-海洋等能力也将建立。

  特征8:空间天气预报-进入NGGPS

  NGGPS模式在空间预报方面,考虑地面以上600km的范围,相当于地球半径的10%。该范围内可能出现2000K以上的高温和超过1000m/s的风速。另外,在进行空间天气预报时,痕量气体O和O2需要单独处理,计算各自的比热和气体含量。

  特征9:空气质量预报

  为了做出准确的空气质量预测,NGGPS模式在运行时需要快速和准确的各种痕量气体守恒转化。一些痕量要素(气体)可以有自己的含量,其他(气溶胶)可能没有含量,而另外一些(TKE)可能没有质量。

  特征10:适应性和灵活性

  未来NGGPS模式作为“统一”的业务模式,面对各种需求和运行环境的改变等(一些变化可能还是目前无法得知的),需要有很好的适应性和灵活性才能更好地统一业务预报。此外,业务预报系统动力核心的更新,本身就是一件十分麻烦和让人揪心的事情,新系统的到位需要很长的适应时间,而这个过程本身又是对替换模式各方面的考验。

  未来NGGPS模式的业务化运行,离不开其运行的业务环境系统。针对NGGPS而言,这些环境系统主要包括了NEMS和ESMF。最终,将形成覆盖性更强大的NUOPC层或平台。该平台(下图)的四大板块覆盖了预报产品生成的方方面面,可以从根本上实现最好的预报分系统在预报平台上形成合力,从而获得最佳预报能力。

  

•  大气动力核心优中选优:5种模式间的比拼 

  NGGPS的开发,并非是铺开一张白纸,所有蓝图重新描画。实际上,新的下一代预报系统各主要耦合模式,在美国包括业务在内的平台上不乏有影响和优秀的系统(表2.1),可供NGGPS选择。正是这样的,也只可能在美国有的模式多样性,保证了这样的优中选优程序的价值所在。NGGPS的创新团队基本上都是业务开发人员,有着丰富的经验。而且,他们对目前可用模式及未来模式的认知和期待,也使得主办机构有信心做出正确的选择。

  

  美国NOAA推出的下一代全球预报系统中的核心内容——大气动力核心模式,将从5个已经开发的模式(表2.2)中,通过两个阶段的严格测试,选取一个作为起点模式。之后利用大约5年的时间,在选出模式基础上完成新的可扩展非流体静力学模式动力核心的研发。非静力模式的分辨率在3-4km,模式将解决大规模平行计算等关键问题。美国强大的气象科技创新能力,特别是大学和研究机构,早已为业务部门开发下一代模式进行了很好的前期工作,而作为候选的5个已经研制的模式,与全球公认的模式发展“走势”也十分的吻合,因此,美国气象当局最重要的任务,就是要有一双“慧眼”,优中选优找到最适合的起点模式。而系统中更加全面的地球系统模拟系统,其开发则需要平衡更多要素。

  表2.2中,第一列和最后一列给出的是NCEP和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)目前全球模式的参数。而在实际比较中,5个候选模式也完全用业务化的视角进行考核,例如评估中最重要的一项就是对桑迪飓风的预报,而ECMWF至少在这次飓风预报上代表的高水平则体现了主持者期待的最高水平。

•  初步结果:NCAR和GFDL模式胜出 

  在入围大气动力核心5个候选模式中,并没有包括全球谱模式,而成熟的非流体静力学模式目前还没有,因此候选模式之间的比拼主要在模式对实际天气气候过程的解析能力方面。在5个候选模式中,从研制机构看“官方”模式占优:2个出自NOAA实验室(GFDL和ESRL),其他3个分别来自NCAR、NCEP(EMC)和美国海军。这里虽然主要是模式本身实力使然,但研发机构严格的模式系统开发规范,以及对NCEP环境很好的适应能力,也是这些模式能够步入候选队列必不可少的因素。

  两个胜出的模式在6项主要检测中均获得较好成绩(图2.6),结果虽然并不令人惊奇,但候选模式中的“嫡亲”NCEP的环境模拟中心(EMC)的模式落选,多少还是有些意外。而分别来自NCAR和GFDL的两个胜出模式(链接1-2)确有很多共性的东西,例如,网格设计的灵活,均采用Fortran语言,模式或多或少都含有天气和气候要素等。按照计划,第二阶段的测试已经在2016年3月15日完成,初步结果和建议将在4月30日公布,正式的测试报告会在5月15日发布,随后在6月底给出最终建议。那时,NGGPS最重要的组成——大气动力核心的开发起点将被确定。

  

3 NGGPS在开发流程和技术框架上的创新 

  借助NGGPS的开发,美国气象界,尤其是作为美联邦气象部门之核心的NCEP,在模式的研制基线、标准和业务环境等方面,着眼于未来进行了诸多深层次的准备。而美国气象局作为业务研发和应用部门,第一次成为“招标”方,具有了“吸铁石”作用,成为“亮点”之一。

•  NGGPS模式的标准和运行环境基线等的统一制定或为全球下一代模式的统一技术平台提供范本

  从目前获得的信息看,NGGPS除了在动力核心上,采用其他已有模式作为基础开发,其他部分依然以NCEP的EMC研发为主,美国气象局部门内外的研发结果和方案,更多通过“招标”方式被NCEP引入开发队伍,但这种“引入”的前提,是这些相关开发团队提供思想,实现则完全借助目前NCEP的业务环境完成。美国气象局这么做的意义在于,围绕NGGPS系统的“all codes are expected to be ‘community contributed codes’”(期待所有开发源码是‘学术界共同的编码’)。考虑到NGGPS实际上是包含了大气、陆地、海洋、冰层、气溶胶和空间天气等要素的完整地球系统模式,这样的开发战略实际上是“一箭双雕”:一方面借助了各方最优秀的大脑提供数值解决方案;另一方面将未来地球系统模拟放入NCEP的业务框架下。如果着眼于未来,NGGPS也可能形成全球地球系统模拟标准范本,并进一步形成地球系统模拟的“行标”乃至“国标”也有可能。

  伴随NGGPS的开发和业务化,整个NCEP模拟环境也将发生重要的改变,以适应下一代模拟系统,或者说地球模拟系统的运行。这些变化包括,例如:

  1)当前的区域预报系统,如飓风预报模式——HWRF,将需要发生改变; 

  2)需要提供“统一模拟框架”的基本文件;

  3)UCACN模拟指导委员会 (UMAC) 将重新评估NCEP产品系列。

  为了实现在模拟编码方面的统一,NGGPS将通过其全球模式试验平台(Global Model Test Bed,GMTB)对各参与方提供支持(下图),并且通过以下几个步骤,实现将部门内外新开发模式或组件纳入业务化:1)预处理;2)数据同化;3)后处理;4)源码/组件控制;5)可视化;6)验证。

  

  目前,GMTB已经针对NGGPS的研发,完成了基于GFS的物理包、互操作性物理驱动(支持NGGPS 2层试验)和海冰模式,类似工作的相继完成,对于借助更广泛的研究力量参与美国气象业务系统的开发,走出了坚实一步。

  GMTB还将实施独立的试验和验证,其目标着眼于实现业务应用。这样的试验和验证,在于鼓励已有物理方案的升级换代和新物理方案潜在性能评估两方面并重。在试验过程中,开发者和业务专家充分交流,NCEP的 EMC也和NGGPS协商和沟通,同时与一线预报员保持良好信息交换。NGGPS希望借助GMTB平衡各种模式评估工具和高影响天气预报的各种努力。

•  美国气象局作为NGGPS模式研制内容的招标方具有重要机制创新意义

  伴随NGGPS的开发,至少在初期NWS将通过基金(NWS R2O项目)资助的方式资助来自美国大学、联邦机构和实验室的团队参与其中(图3.1)从根本上说,这一不同于以往的机制创新,源于美国国会批准的相关资助项目的机制。美国管理层更多地基于公众和政府角度,推进R2O的立项和放大这一机制,或许未来NWS还要更多扮演这一角色,从而将美国乃至全球更多创新成果在业务端发挥作用。

  

4  华人科学家全程参与NGGPS开发 

  此次NPPGS开发,汇集了美国NOAA、UCAR、美国海军和相关研究高校的顶尖科学家参与其中。本节参考了NGGPS状态会和年会的相关会议资料,依据华人姓氏特点,提取了参与NGGPS开发的华人科学家姓名信息,结果发现,共有67位华人学者参与到NGGPS开发中。经过进一步网络检索,搜索到其中30位学者的详细信息(包括学历、任职机构和研究领域),但另外37名学者的详细信息未检索到。参与NGGPS的30位华人科学家详细信息见表4.1

  

•  华人科学家成为NGGPS舞台重要力量

  检索发现,在参与NGGPS开发的华人科学家中,共22位科学家来自NCEP EMC(Environmental Modeling Center,环境模式中心),遗憾的是大部分EMC学者均没有检索到更为详尽的资料信息,但EMC华人科学家约占参与NGGPS开发的华人科学家总人数的32.8%,是一支不可忽视的研究力量。此次参与NPPGS开发的华人科学家中,一些学者与国内气象领域研究保持着频繁良好的合作关系。例如NCAR的陈飞、马里兰大学的李占清和德克萨斯大学的杨宗良三位学者,都是通过国家“千人计划”引进的杰出科学家。又如来自NOAA的刘全华曾参加过我国第一颗气象卫星——风云1号的研发工作。此外,来自台湾的研究者,也占有一席之地。在表4.1中,有6位学者来自台湾。

  美国仍然是我国出国留学人员最主要的目的国,其在大气科学等科技领域的总体优势依旧明显,对世界各地的科研人员具有显著的吸引力。参与NPPGS开发的学者们大多都遵循着“本科中国—博士海外”的发展模式,均有在国内成长和求学的经历,在美国等发达国家高校继续深造后,取得硕士或博士学位,现在在美国高校、科研机构等任职。表中30位学者,学习背景中和南信大(9人)、中国台湾的大学(6人)、北京大学(3人)、南京大学(2人)等气象专业较强高校有关系的占较大比例。海外华人科学家学术起点高,了解国际学术界的最新动态,无疑将是我国气象科技发展重要的借助力量来源。 

5 小结和讨论:NGGPS的风向标意义 

  可以说,NGGPS是我们美国的同行机构NOAA和NWS在EC强大模式优势倒逼,以及国会先是质疑,然后采取加大支持力度的情形下,无奈采取的创新赶超手段之一。而当NGGPS实施后,主办机构完全以科学的态度制定了可行的推进方案,投入大量人力、物力。尽管NGGPS最终能否取得成功,超越今后5年肯定也会有所进步的EC还不得而知,一些质疑声也会一直伴随着NGGPS,但是,NGGPS在更大范围的注视中被列入NWS今后几年与外界合作的核心课题,这种针对核心能力的博弈做法,对于世界上主要的国家预报中心具有风向标的意义。NGGPS开发理念和很多具体操作,值得更大范围世界同行关注和借鉴。

  •  借助NGGPS,美国气象部门要重新夺回全球天气预报领先者的地位,成为世界第一。这点气魄实在难得,尤其是在考量了美国目前的预报与世界最佳的差距(图5.1)后尤其如此。

  

  美国气象界希望借助NGGPS项目,重铸美国作为全球天气预报世界引领者的地位,承载这样的重负,底气和信心从哪里来呐?不放从几个方面进行分析:

  首先,NWS气象现代化后,因为其雷达资料以及卫星等观测数据对美国气象观测网的重要补充和强化,使得NWS引领的研究社区(NWS-led community)业已形成,这样的研究圈子除了联邦机构外,还包括了具有强大实力的美国高校(如NCAR)和企业,构成的研究氛围在世界上也是独特的。此外,NGGPS项目借助的是美国联邦政府的立法,其号召力实际上已经超越了NWS,甚至NOAA,成为美国气象界共同的目标,而NWS和NOAA的角色,除了是参与者,更是组织者和着眼于业务创新研究的审定者。这种调动举国之力,从项目包含科学家之广(如,数十名华人科学家参与其中,报告第5节)可以窥见一斑。

  其次,NWS上下在将NGGPS作为下一代核心模式的同时,也将其作为NCEP核心能力建设的重要组成部分。借助该项目,NCEP将在EMC(环境模拟中心)建设统一的编程开发(community code develop)环境,在NCEP建立技术层面上的统一模拟能力。而借助NGGPS本身是R2O项目的事实,加速预报能力的改进。

  最后,模式的整体框架将重新架构(re-architected),主要目的是适应最新HPC(高性能计算)的架构,如CPU/GPU混合或大规模集成核心(Massively Integrated Cores,MIC),充分发挥这些新设备在模拟运算中的优势。

  在世界各国频繁使用“下一代”标榜其技术进步时,NGGPS真正启动了“下一代”模式的研发,这或许是在观测设备,例如卫星和雷达等系统提出换代理念之后,又一个重要的气象基础业务能力的换代计划。NGGPS预计将在2018年完成,2019年业务应用后,成为NWS的“当家模式”并将服役到21世纪中期。研制中的NGGPS虽然有很多特点,但其可称为“换代”模式,具备的主要特征可以梳理如下:

  在世界各主要预报中心模式能力主要通过提高分辨率和采用更高速计算机设备运行提高性能,达到一定高度而遇到某种瓶颈,而计算机能力提升的“摩尔”速度也许不在之时,主要致力于模式内容改进的NGGPS,具有了潜在的“弯道超车”能力,而一举领先其他现有模式(或现有模式的简单更新版),也正是“换代”最重要的理念。

  NGGPS在业务上,作为NCEP全球模式,不仅将常规天气预报延伸到8至10天的延伸预报期,而且是NCEP作为预报中心许多其他区域预报产品的重要支撑。一旦NGGPS能力获得跨越式提升,对NCEP的影响将是全局性的。

  NGGPS还将支持第3和4周预报产品开发,这或许是“下一代”模式实现天气和气候预报间“无缝隙”的一个强烈标志或信号,也将成为其他机构其他“下一代”模式开发的“共识”。

  尽管很多应用,包括短期预报等更多是和局地模式直接联系,但是世界各主要预报中心的全球模式可能是其能力建设的“重中之中”,这不仅是因为全球模式是各种区域、应用模式以及再分析、后预报产品的支撑(提供背景场、初始态等),更是反映一个机构对大气模式以及多种耦合过程的理解力和驾驭程度。此外,全球预报模式也是未来地球系统模式的起步模式,特别是,后NGGPS时代或许迎来NWS用一个模式包打天下(短期预报到延伸期预报和年际预报)时代,用一个“统一”的模式实现时间上“无缝隙”和预报要素上的“无缝隙”预报,从而引领全球模式应用理念的转变。

  很长一段时间,NWS似乎是有些封闭,尤其是在其业务模式开发方面,和美国学者研究领先态势相比,NCEP模式与外界(这里主要指美国高校和学术界)交流并不充分。主要原因之一,就是众多模式的编码与NCEP平台存在区别。这次借助NGGPS开发和更多NWS以外模式和技术的介入,如果NCEP借机解决了数值预报平台编码标注、接口和基准等技术标准问题,美国NWP模式系统有望统一在NCEP平台上,NGGPS模式作为“统一”模式的初衷也将实现。如果是这样,其影响在今后10年或更长的时间里,在全球范围内都将是巨大的。

  虽然NGGPS的起步,有桑迪飓风和国会质疑NWS能力及随后拨款支持动作这一看似偶然要素在其中起作用,但实际上,美国气象界在2014年THORPEX结束后,很快结合后续的三大国际计划(PPP、S2S和HIW,图5.2)对接了THORPEX,并通过多种计划和平台建设,让这些计划很快在美国“落地”。尤其是,NOAA强化其试验平台和提出“天气有序”理念等,为NGGPS的横空出世打下了很好的伏笔。

  

  如果说到2015年世界上主要天气气候预报中心预报准确性排名的竞争,以欧洲中期天气预报中心(EC)完美胜出的话,那么今后EC模式领先的格局是否会改变,悬念也许要等到2019年前后,要看NGGPS作为后来者的表现。当然,美国气象界在努力开发NGGPS的时候,EC也不会停顿,但其未来20年左右模式发展的路子,基本上还是过去开发的延续:提高时空分辨率和尽可能多地耦合相关过程(图5.3),换句话说模式的更新仅仅是延续性的,而非如NGGPS有丢掉过去的革命性改进。在NGGPS存在风险但有更多期待时,EC模式的下一步发展其实还具有未知要素:EC至今尚未公布2015年以后时间段的发展规划,这一不太正常的情况,也许意味着欧洲也在策划另一个模式颠覆性开发的方案。尤其是,EC周围的科学家近年来多次提及的随机动力学过程及其在未来模式开发中的潜力研究成果,是否能在3-5年完成模式研制和走向准业务化,从而实现模式开发战略思路的转折,或许是EC目前尚没有明确未来方向考虑的原因之一。

  下一代模式的鲜明特征,是采用非静力学动力核心和十二面球体(或用cubed-sphere grid表示)网格,以及更多地加入地球系统模式要素,因此开发更具竞争性。各国有很多做法,其中美国的“优中选优”战略最值得借鉴。EC的开发之路也具有代表性,即维护性开发(当前模式的不断改进)和颠覆性开发(重新设计完成模式)并举。此外,围绕美国下一代模式的开发,美国学者率先强化了模式评估,而这种评估本身,就是一项重要挑战和保证未来模式走在正确的道路上的关键保障,值得持续关注。此外,模式开发是一个高度科技化的研究顶端科技活动,成功的模式开发,需要借助开发机构以及国际同行在基础研究和应用基础研究方面众多的成果。例如,德国气象局最新研制的ICON模式,其物理过程(大气动力核心)涉及的几种物理过程在模式中,支撑的科学文献跨越10+年(图5.4

  

  NGGPS的研发,NWS不仅高调而且在战略上提出了该模式是作为“统一”的模式,即2020年前后该模式将是NCEP业务模式之核心。NGGPS意义上的统一,一是在预报期限上的统一:从短期直到季节乃至年预报统统包含;二是在预报要素上的统一:飓风、降水和旱情等各种要素预报均可来自该模式结果。然而更深层次上的统一也许更重要:美国学术界(大学和企业等)的预报模式编码有可能在NGGPS的大旗下走向“统一”:模式的网格、框架、地形和编程规则等基本要素的统一,以及模式中各种耦合和涉及大气层以外圈层表示方法等的统一。如果后面的统一顺利实现,其影响可能是巨大的。首先,未来“插件”式的模式有可能被铸造:即在模式技术层面上有了统一规则和基准或标准后,一个新模式的诞生,可能是各方最优秀的过程处理“模式插件”的组合而已,即世界上最好的模式,也许是实验室A的大气核心+实验室B的海洋耦合+……;这些“插件”组合在一起,进行调制后即可应用,并最终形成美国整体预报能力平台——NUOPC(图5.5)。这样基于同样的技术平台框架的开发范式,一旦成功,其影响无疑在国际上会具有示范意义,美国业务机构和学术界就此制定相关的国际标准和规范,进而建成和完善也许是国际上唯一已经形成共识的开发平台,可能就是顺理成章的事情了。在进入21世纪第二个20年之际,或许是气象界从气象耦合模式向地球系统模式过渡的重要时期,美国NGGPS起到这样的“带头”作用显然是最“划算”的。

  

  NGGPS的整个研发过程,除了关键的大气动力核心起点模式采取了“走出去”的方式遴选和评测确定外,其他方面大量工作,包括大气动力核心模式的进一步开发,均采取了“走进来”方式——即通过招投标吸纳手握先进技术的科学家按照要求参与开发。面对这样一个组织工作巨大、技术难度超强的创新过程,2011年3月UCAR成立的UCACN被充分利用。UCACN作为外部指导NCEP的常设机构,其准“第三方”的身份和着眼于NCEP能力提高的视角,特别适合NGGPS这样的重大项目的协调工作。2015年3月,与NGGPS进入日程几乎同步,UCACN又成立了UMAC(UCACN模拟指导委员会)。UMAC 是应NCEP主任William Lapenta的请求成立的,其主要职责是针对NCEP预报产品系列(NCEP Prediction Suite,NPS)发展战略,提供全面和技术评估。

  UMAC成立后于2015年12月发表了第一份评估报告,指出美国的数值环境预报已经走到一个十字路口。UMAC通过几次测试,包括全球模拟技巧测试和高分辨率概率预报的应用等,发现美国的业务环境预报不再是世界领先者。和这一结论形成对比的是,美国拥有巨大的环境预报“资产”,包括世界上最大的研究群体、开放的数据政策和健康发展的商业气象。据此,UMAC对处于落后的环境预报持乐观态度,其潜在能力能够快速进步,重新达到世界领先水平。这样乐观估计的一个前提,就是从根本上改变NOAA/NWS/NCEP业务。显然,从NOAA对NGGPS的充分重视的表现来看,UMAC报告不仅是NGGPS项目技术起点的最后注脚,提出的建议也被充分重视和在逐步落实。

  NGGPS项目无疑是一个比拼智力的舞台,其中中国背景科学家的身影,或者说在一线研发队伍中所占比例很高,应该不是让人惊讶的结果。对华人科学家在类似NGGPS项目中所起关键作用的跟踪和评估等,应该成为将来“为我所用”,为中国气象现代化找寻更好的“外援”之常备工作。为此,我们建议主管部门应该充分关注包括NGGPS研发等国际重点气象现代化发展中的动态,特别是其中华人科学家的表现,建立与海外华人学者交流和咨询的“绿色通道”,发挥华人学者分布在世界上主要气象研发机构的优势,充分利用和借鉴近年来世界上最新气象科学跨越发展的经验。

  诚然,NGGPS最吸引眼球的跨时间域预报能力和从天气气候模式向地球系统模式的跨越等在设计理念上的创新,其技术和科学上的支撑就笔者看来目前还不是很清晰,其在未来4-5年里完成和实现预计目标的难度不可小视。此外,虽然最开始阶段,NGGPS的开发露出了吸纳全球模式优势的姿态,但随着进程,让人感觉似乎又回归到依据美国本土力量,即其主要的开发手段“走出去,请进来”似乎仅限于美国国内,而对国际上最先进的模拟技术和创新,如源自欧洲中心和英国气象局针对延伸期预报的随机动力内容更多进入模式核心的理念,目前来看除了在集合预报方面有所涉及外,还未见到可能对NGGPS产生影响的踪迹。

  本文截稿时,传来美国空间探索公司(SpaceX)在多次失败之后,终于成功让卫星发射火箭一级在海上成功收回的消息。同时,NGGPS项目也将在4月确定大气动力核心的起点模式。美国同行如果在已经“落子布局”的NGGPS项目的开发韧性方面能比照私人企业SpaceX的话,地球系统模拟工具进入天气气候预报系统,在NWP于1950年代初首次试验成功后,将可期待再一次在美利坚出现。