美国气象主管部门NOAA，其在天气业务方面，几乎所有的预报任务，均由美国气象局NWS的国家环境预报中心（NCEP，链接1）承担。NCEP也基本上可以被称为世界上最重要的“处级”中央气象台。
尽管NCEP是一个最广泛意义上的业务部门，但是其重视科技创新的特征在很多方面得以体现，其中要求美国乃至全球有特色的科学家来NCEP进行学术讲座（Seminar）就是其中之一。
Seminar与一般的学术交流活动，如Workshop等的不同之处是，要邀请一位主讲人，且在主讲人做完主题报告之后，听众与主讲人之间，可以就演讲所涉及的主要内容，进行交流。
NCEP包括了美国国家主要的业务预报中心，以往这些中心都组织自己的Seminar系列。近年来，随着NOAA和NWS的改革进程，特别是NCEP各业务中心之间，无论是业务还是人员和管理、组织上的联系日益紧密，NCEP各业务中心的Seminar逐步被由环境模拟中心（EMC）主持的Seminar取代，成为影响最大的美国气象业务部门的Seminar。
EMC是NCEP的业务核心，也是对创新要求最高的部门，这是因为各种预报模式的运转和改进，最初的动机以及最后的实现，都要依靠EMC来支撑。从EMC目前网页上可以知道，其Seminar系列始于2001年，已经坚持了16年。本文选出该系列讲座2016年度上半年的17场讲座（表1）介绍讲座内容，并对相关的组织工作、对一线预报员的作用等进行分析。
NCEP讲座，与NOAA图书馆讲座系列一样，一般安排在中午时间举办，这样有助于业务人员在不影响业务工作的前提下保证定时“充电”，了解部门内外最新的相关进展。这种讲座一般提前一段时间就通过专门的网页预报即将到来的讲座的题目、报告人以及类似学术论文的报告摘要。报告结束后，在报告人许可的情况下，一般还能在网上共享报告人所做报告的PPT课件，可以回味或摘引报告内容。如果碰巧业务人员关注的报告开讲时，业务人员外出，也有办法。主办机构在报告期间提供远程听讲服务。此外，感兴趣的人只要注册一下，每次报告前的邮件提醒就会到达你的邮箱，保证不会漏掉重要的讲座。
2016年度上半年，NCEP组织了17次讲座，平均每个月有3次左右。17次讲座的主讲人，来自NOAA内部5人次，最多；美国大学和NCAR和日本气象局4人次；其他包括英国、韩国和西班牙气象局各1人次，西班牙超级计算中心1人次。17次讲座，主讲人来自美国国内9人次，国外8人次，几乎相同，充分显示了这个内部机构讲座的“国际化”水准。本文围绕这17次讲座进行介绍和分析。
1 NCEP讲座人范围广，以业务主题为特点
2016年度上半年的17次讲座，针对模式和业务系统各5次和3次，占主要部分，其他在诊断（3次）和资料同化及验证（各2次）等。这些主题都和业务密切相关，特别是业务系统的讲座，几乎都是围绕下一代模式系统建设展开。
NOAA在其下一代地球静止气象卫星GOES-R研制过程中，通过签订合作项目协议，开展外围研究。位于威斯康星大学的气象卫星研究合作所和NOAA地球系统实验室共同承担了“降低GOES-R卫星风险”研究课题（合同号NA15NES4320001）。该合作项目的负责人在报告中，就基于GOES-R卫星开展预报验证和HRRP的预报员指导系统，进行了报告。而研究课题更多的结果，包括基于GOES-R卫星光亮温HRRR模式的验证和预报员指导系统，已经在相关网页（http://cimss.ssec.wisc.edu/hrrrval/）中，接受预报员和研究业务人员的试用后评价。
这样的报告，首先基于未来（GOES-R计划今年11月升空，2017年有望业务化）气象业务，同时针对NCEP业务基础HRRR的改进展开，这种讨论在NCEP发生，本身就具有了降低下一代气象卫星风险的意义：让美国全球预报员的核心感觉和认识下一代卫星会带来些什么。
首先，报告人报告的架构提示人们，气象从业人员最为关心的预报验证，借助功能更强大的新一代静止轨道卫星信息或许可以进入一个新的时代，从统计验证过度到即基于目标的验证（object-based verification），而后者采用的方法，是MODE（Method for Object-Based Diagnostic Evaluation，基于目标的诊断评估方法）。
报告人用2015年7-8月在灾害天气和航空天气试验平台上开展的个例研究，指出了新一代卫星在预报评估上的特殊意义所在。
图2给出新的预报评估方法给出的“误差矩阵”例子。在这个例子中，给出了美国中西部地面温度预报的均方差（RMSE）以及偏差（以颜色表示，见色标：蓝色表示偏冷；红色表示偏暖）。这个误差矩阵表明，预报夜间偏暖，而白天则篇冷。
个例研究中，选取7月23-24日的一次过程。该过程出现了不同类型的对流，包括了地面低压和锋过境、鼓励对流和静止锋及海风等。针对这次过程，用10.8 ?m 亮温得到的误差矩阵（图3）表明，预报初期偏暖，所有1小时预报都有正距平误差；之后几个小时预报偏差中性或负偏差，最大偏差出现在夜间对流发生时（03-12 UTC）。
在谈到针对模式的检验方法时，报告人重点介绍了已经在业内被传播的FSS（Fractions Skill Score，分数技巧得分）方法（图4）。报告人用观测和模拟的GOES卫星亮温计算FSS，计算值被用了确定有技巧的预报（即FSS?0.5）的空间尺度。之后选择临界值（GOES亮温的临界值选为10%）并应用二进制yes/no做出标记，存入数据库。之后在特定宽度内依据周围点计算美国点的分数，聚合整个预报区域即可获得FSS得分（图5）。
除了新一代卫星之外，NCEP业务中依据的另一项重要观测数据，就是雷达资料。而雷达数据的质量，一直是各国气象中心面临的最大挑战。来自美国国家强风暴实验室的华人科学家Qin Xu及其分别来自CIMMS和NCEP的合作者，就雷达数据的质量控制和同化面临的挑战和进步进行了报告。
报告人认为，雷达数据质量控制和同化中的困难，主要体现在多普勒雷达风速混乱上，即多普勒雷达给出的速度，仅仅是3D风速中沿径向的分量。而这方面的进步则体现在采用AR（alias-robust）分析和VAD（Velocity Azimuth Display）模式，实现多普勒雷达速度的退模糊（Doppler Velocity Dealiasing）处理以及雷达风速的分析等方面。
报告人列举了上述AR-Var和AR-VAD处理，应用于飓风和龙卷风中尺度气旋等的雷达数据处理上（图6）。报告人团队近10多年来一直专攻雷达数据质量控制，通过开发退模糊处理技术，在雷达风场的业务化应用方面做出成绩。
2 国际化交流频繁，各国气象业务进展是NCEP讲座最关注主题
日本气象厅（JMA）数值预报部门Yoichiro Ota等介绍了日本全球集合预报系统（ensemble prediction systems，EPS）在改进误差方面的新进展：一是在初始扰动中加入集合卡尔曼滤波（EnKF）扰动；二是加入SST扰动。目前JMA台风EPS和周EPS采用奇异向量（SVs）作为初始扰动，在探讨了EnKF扰动的特征后，报告提出将SVs与EnKF扰动相结合的方法，指出二者结合可以改进短期集合预报准确性：传播误差关系（Spread-error relation）和集合预报准确性比仅用SVs或局地集合变换卡尔曼滤波（LETKF）时得到提升（图7）；台风路径概率预报技巧相比台风EPS得到提高，这为将来统一台风EPS和周EPS提供了可能。报告也指出，更复杂的模式集合和边界层扰动研究仍是未来减少初始SVs振幅的必要研究。
报告还提出将SST扰动作为大气模式边界层条件。目前JMA业务EPS中所有成员均采用的是固定SST，需要引入SST扰动，分析和预报不确定性。报告提出了生成SST扰动的新方法，并在JMA业务全球EPS中进行测试。发现引入SST扰动改进了月EPS温度预报的概率预报技巧。
该报告还探讨了未来日本的全球集合预报系统。目前，日本气象厅运行着中尺度至次季节尺度的三个全球集合预报系统，分别是台风EPS（Typhoon EPS）、周EPS（One-week EPS）和月EPS（One-month EPS）。未来日本将把现有的三个集合预报系统统一成为一个全球集合预报系统（图8），该系统将把预报模式升级至最新的全球谱模式，并将改进集合预报的误差，初始扰动将采用本次报告所提出的LETKF与SVs相结合的初始扰动，并且将在边界层扰动中引入SST扰动，最终形成从短期至次季节的无缝隙预报系统。该系统计划将于2017年实施完毕。报告同时指出，建立未来全球EPS可能面临的三大挑战：（1）进一步改进预报模式、初始扰动、边界层条件和集合模式，提高EPS准确性；（2）加强与资料同化和模式发展人员的合作；（3）无缝隙预报是满足用户短期预报至长期预报需求的重要挑战。
来自JMA气象研究所（Meteorological Research Institute，MRI）的Kozo Okamoto报告了日本星载多普勒测风光达（Doppler wind lidar，DWL）的研究进展。三维全球风观测十分重要，但目前在全球观测中仍十分不足，DWL是填补这一空白的一个好的方法，因此2011年日本成立了DWL研究小组，2013年日本信息通信研究机构（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）、日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）与JMA\MRI达成研究协议，就空基DWL发展和评估研究展开合作。图9给出WMO和各国星载DWL的对比。
日本未来DWL计划采用相干检测，两个激光器正交角度分别是45°和135°，垂直分辨率为0.25/0.5/1千米，水平分辨率将小于100千米，其具体参数和总体示意图参见图10。日本将在2016年发射高度小于250千米的超低空测试卫星，但卫星的轨道和激光雷达的参数等还在进一步研究中。
报告还介绍了激光雷达模拟器——星载相干多普勒激光雷达集成卫星观测模拟器（ISOSIM-L）的相关研究，该模拟器2000年由NICT开发，能够实现端到端的模拟，改进该模拟器后，可以更加灵活和准确地模拟激光雷达信号、反演大气视线（LOS）风速和分析误差。而来自NICT的Shoken Ishii的报告指出，实现星载DWL的两大关键技术要点是：2-μm单频脉冲激光器和高速探测器。
JMA还介绍了其在资料同化方面的进展。尽管目前多种多样的卫星资料被同化，成为数值预报准确的初始场，但云/雨影响的数据却没有被充分利用。在辐射资料同化方面，ECMWF主要进行晴空和阴天的辐射资料同化，全天空微波辐射也在一些业务中心开展或将要开展。空基降水雷达资料同化目前没有在任何业务机构中开展，JMA将准备进行相对湿度反演同化，以补充地面雷达和空基传感器数据。来自JMA/MRI的Kozo Okamoto报告了葵花-8/AHI全天候IR辐射同化研究和全球降水任务（Global Precipitation Mission）-核心/双频降水雷达（Dual-frequency Precipitation Radar，DPR）GPM-核心/DPR反射率廓线的研究。GPM是美国NASA和日本JAXA合作的联合任务，联合组在2014年2月28日发射了GPM-Core卫星（图11上），卫星携带了DPR和GPM微波成像仪（GPM Microwave Imager）。研究发展了集合变分同化框架，包含雷达模拟器和全天空微波辐射辐射传输模式（Radiative Transfer Model，RTM）。研究设计了包括DPR和GMI的单循环同化试验、热带气旋试验，结果发现，结合DPR和GMI后，分析和预报能力得到提升（图11下）。
3 先进技术的感觉和启发，是主办方最重要的期待
2015年，美国多家机构支持和参与的PECAN试验（图12上），瞄准夜间对流这一气象界认识不是很充分，并带来较大预报误差的现象。该项目瞄准的主要科学问题，是暖季夜间陆地降水。外场试验在2015年6-7月进行后，基于试验数据开展的研究中，令人关注的模拟研究阶段，利用WRF-ARW模式给出的结果尤其令人关注。来自EMC的试验参与者介绍了利用WRF开展前研究。
报告人采用WRF-ARW版本3.6.1，3个研究领域模式的分辨率分别达到了9、3和1千米（图12左下和右下）。试验观测数据提供每小时的初始和侧边界条件。模拟结果很好地给出了低层急流的结构，为进一步认识暖季夜间降水的机制，打下了基础。未来，研究者还将依据详实的观测数据，构造微物理参数化方案，同时探讨涌潮和波的共振效果。同时将模拟的范围扩大到整个北美大陆地区，并利用NMMB模式进行模拟研究。
美国每年夏季面对太平洋和大西洋飓风的威胁，其对台风登陆路径和强度变化的预报，是NWS乃至NOAA的巨大考验。而NOAA的一个巨大的优势之一，就是美国的海洋和天气管理统一在NOAA，这对于海上生成，最大的威胁出现在陆地的飓风的研究和预报而言，实际上是一个利好。尽管如此，包括飓风探测和预报研究，NOAA还是联合了很多美国大学力量共同开展。其中罗格斯大学是与NOAA机构保持紧密合作的大学。
在罗格斯大学学者在讨论沿海海洋与热带气象相互作用，并影响飓风强度和路线预报的报告中，瞄准了美国大西洋沿岸两个海角之间的1000公里区域（图13）。该区域居住占美国人口四分之一的7800万人，是飓风灾害“脆弱区”。报告人特别强调对飓风临近海岸时，用一种被称为风暴滑翔机（Storm Glider）的设备进行的穿越飓风系统的探测（图14）。滑翔机能够获得海洋的温度、盐分、叶绿素和光学反射等要素值，可以应用于飓风强度改变的诊断和模拟中。
各种大气探测设备中，图像仪是最基本的传感设备。这样的设备获得是资料，一般要通过同化，针对某个要素或变量给出探测范围内的变化。来自地球系统实验室的报告者则独辟蹊径，以反向思维的方式，提出模拟图像设备的输出（图15）。
报告人从多个方面阐述了模拟天气图像的目的。首先，能够帮助认知高分辨实时模式能力，字面上讲就是“内部对等”，即你的模式能模拟出真实的天气，这无疑从实时分析和预报两个方面具有意义。再有，可见/物理真实显示表达了很多信息，包括云、降水、气溶胶和陆地表面等。第三，这样的演示可以给观众欣赏，将天气现象和眼中天空联系起来（一中科学和艺术的交织）。最后，从气象研发角度看，这样的模拟获得可以改进对云等物理量的分析，让模式的初始化更接近实际，未来或许能成为数据同化的一种新的输入。
这种模拟需要借助射线追踪（Ray Tracing）技术开展，这是因为，例如获得云信息的探测设备，主要借助来自云体上方的太阳辐射获得，这与人眼观测存在角度上的差异（图16）。利用天基云探测数据模拟地面上人眼观测到的云。当然，这种模拟技术还可以用于，例如卫星全圆盘扫描图像（图17）。报告者认为，随着这项技术的成熟，或许未来气象站会增加更多相机。
4 小结：研究创新的氛围造就了NCEP 的“研究所”环境
本文介绍了NCEP强大业务能力和巨大人力和设施体量的背后，强调科技创新支撑的一个细节。从相关网页上看，常规性的NCEP学术报告制度，始于21世纪初的2001年，当时也正是NOAA完成现代化项目（MAR）后的第一年，这不禁让人把科学报告制度与其现代化业务的要求联系到一起。NCEP的报告，从内容到组织形式，都值得我们回味。
•NCEP的科学报告制度的建立和保持，代表了NWS乃至NOAA对NCEP机构职能特点的解析和创新要求。这种解析和要求的背后，更是对NCEP站在世界各国中央预报台最前端的强烈希冀。虽然从作者只是从网页上获取信息的角度，还无法准确知道组织这样的科学报告的机制和过程 ，但从十余年来报告内容和报告人的来源等角度分析，这些报告的组织还是花费了一些“成本”，特别是占很大比例的美国以外报告人，很难全部用“访问顺便做个报告”模式解释，特别是科学报告衍生的“圆桌讨论”深入交流和探讨，更像是针对关键业务问题而专门组织的。
•NCEP科学报告的组织形式，看似不经意地只是利用中午时间进行交流，实际上这样的安排除了保证大部分员工都能参加和不与常规工作发生冲突外，更有营造了某种轻松气氛的效果，在这样的氛围下报告后的交流，乃至讨论和质疑，都是高水准“头脑风暴”的最佳环境。
•NCEP科学报告的业务功能，至少从2016年度的17次报告内容来看，是对未来可能的新业务流程或规范、标准的实施，起到“告知”和“安民”双重作用。由于有这样功能的报告，主讲人就是这些新流程或业务规范、标准的研发者，其先于行政指令的从科学先进性和技术可操作性等方面的阐述，其重要意义是显然的。同时，因为听众是新业务内容的主要实施者，报告也给了这些最了解以往流程的业务人员理解、消化和质疑新流程的机会，其中后者，即向研发人员（系统内或系统外）质疑。
•近年来，在NCEP科学报告中登台的美国以外学者中，日本学者最为让人印象深刻。日本气象厅很多最新的预报技术和观测数据处理手段等，都能在第一时间通过NCEP科学报告平台向美国同行介绍和交流。这背后除了美日气象合作在地球观测和模式研发等关键领域，注入更多实质性内容外，两个国家学者互不忌讳的开放式交流态度，也是促成这样的交流较为深刻的重要原因。2015年来自中国气象局的龚建东登上NCEP科学报告讲台，介绍了我国自主研究的GRAPES模式发展和应用。未来期待我国有更多的气象学者登上讲台，与美国同行进行更深入的交流。
•除NCEP，美国其他科研机构和高校，如美国卫星资料同化联合中心、马里兰大学、戈达德航天飞行中心全球模式与资料同化办公室也均开展类似的报告会。报告人的研究领域大都不同，并处于各自研究的前沿领域，他们在进行学术报告时，把最新的前沿问题、研究方法和发展趋势介绍给大家，在这个过程中，新的交叉点也会不断产生，拓宽科研人员研究领域的同时，能激发出创新的思想。
链接1 NCEP简介
美国国家环境预报中心（NCEP）的前身是美国国家气象中心（National Meteorological Center），美国国家气象中心成立于1958年，后改制为国家环境预报中心。NCEP的目标是，提高预报准确率、为各级台站提供丰富的预报指导产品，保护国家和人民的生命财产安全、尽可能地减少由气象灾害带来的经济损失。NCEP由9个国家级业务中心组成，分别是：
• 航空气象中心负责提供美国国内和国际航空预警和各层危险飞行条件预测；
• 气候预测中心负责监测和预报短期气候波动，提供气候对整个国家的影响信息；
• 环境模式中心与多个研究机构开展广泛合作，发展和改进数值天气、气候、水文和海洋预测；
• 国家飓风中心负责提供热带天气系统移动和强度预报，并对美国及其周围进行监测和预警；
• 业务运行中心负责维护和运行业务数值分析和预报模式，并维护数据产品；
• 海洋预报中心负责大西洋和北太平洋地区5天天气预报并发布预警；
• 空间天气预测中心发布影响人类生活、干扰地面和太空设备运行的空间天气警告和预警；
• 风暴预测中心负责美国大陆龙卷风和极端天气监测，发布灾害性天气预报；
• 天气预报中心负责提供美国全国范围7天天气分析和预报指导产品。