█ 贾朋群

1）天气预报从来没有停止过进步的步伐

　　• 科学气象预报百年让UKMO提升信心

　　2017年9月，英国气象局（UKMO）庆祝科学预报走过一个世纪。而UKMO在专门的网页里指出的科学预报的原点，就是英国数学家理查孙进行的数值预报实验。如今，起源于理查孙探索的数值天气预报模式，获得了根本性的改进（上图），100年前理查孙和同事用6周时间计算的天气演变，现在可以借助智能手机天气APP瞬间获得，而预报的准确性，则在ECMWF岁末的一次学术会议上展示的（下图），世界上主要预报中心2016年5月—2017年4月模式预报（北半球温带）准确性的统计中给出：7天预报的距平相关达到了80%。（来源：UKMO/ECMWF）

　　• 手机信号或让天气预报能区分街区

　　在天气预报进步的进程中，企业越来越显示其独特的潜力和更加灵活的思路。2017年4月，一家位于波士顿的名为ClimaCell的创业公司宣布，该公司可以借助早在2006被发现的通过比较手机通信塔之间信号强度估计降水量的技术，参考其他天气观测资料，做出更加准确的3小时预报，预报产品的分辨率足够高，可以给出不同街区的预报结果（图）。ClimaCell公司还将面临来自欧洲和以色列的多家公司利用相似技术开展预报的竞争。（来源：Nature）

　　• 世界不能没有气象和水文服务

　　WMO在2017年推出的这张海报宣传画，彰显了气象和水文工作者在现代社会方方面面的触角和价值所在，也预示了气象和水文科学，只有深入服务于社会的需求，才能体现出科学保障人民福祉的本真意义。（来源：WMO）

　　• 极地预报年项目启动

　　2016年5月，极地预报年（YOPP）项目启动。这项由WMO协调，核心阶段将从2017年持续到2019年的项目，一个与很多极地科学考察项目的不同点，就是直面预报问题，即该项目旨在改进极地天气和海冰预报。这或许是，例如全球变暖后北极地区如果适合航运等需求，倒逼科研项目的一个范例。（来源：YOPP）

　　• 集合预报获得更加广泛的应用

　　集合预报成为世界各主要预报中心当家预报手段的地位更加突出。在这种针对飓风Irma的预报里，集合预报给出未来10天飓风路径的120km范围。图中ECMWF的高分辨预报（实线）和集合预报平均（虚线）都和随后观测结果（十字线）非常接近。集合预报给出了可能路径范围这一至关重要信息，是单一预报无法提供的。（来源：ECMWF）

2）环境探测向多平台迈进

　　• 地球观测小卫星：市场向好

　　北方天空研究（NSR）是一家专注于全球卫星技术和发展的咨询公司，在最新的全球小卫星市场预测中，NSR第一次将小卫星的定义，从质量为1-100kg改为1-500kg，使得小卫星的范围得到扩展。在这个市场中，虽然地球观测市场将在2018年前后被快速增加的通信卫星超越，但未来10年地球观测小卫星将一直保持高位。（来源：NSR）

　　• 地球系统模拟2.0：向观测和高分辨模拟学习

　　加州理工大学的学者在最新发表的论文中，阐述和给出了地球系统模拟2.0的理念和蓝图，指出地球系统模式（ESM）及其参数化可以通过数据同化和机器学习得到根本的改进。ESM能够集成和向天基观测和局地高分辨模拟结果学习。如图给出了地球系统模拟框架，融合了全球观测系统(OS)和高分辨率目标模拟。（来源：GRL）

　　• 海洋深层探测：找到地球隐藏的热量

　　2017年9月，NOAA在赞助商的支持下，准备部署33个可以下潜到海面以下6000米的深海Argo浮标站。目前，全球大约有3800个分布在全球海洋，观测海洋表面到2000米海洋范围。这样的深海观测网形成后，可覆盖海洋99%的水体，从而摸清海洋整体的热状况。（来源：NOAA）

3）万花筒：气象研究、管理和应用获得更多进展

　　• 树叶与气候

　　2017年9月1日出版的Science杂志，封面是一片巨大的蓬莱蕉树叶，这种在美洲热带地区常见的植物，其树叶的大小和气温、日照和土壤湿度等密切相关。最新的研究表明，地球上不同植物叶子的变化超过10万倍，其大小的改变特点，可以通过模拟树叶能量输入和输入平衡获得。研究发现，树叶尺寸随地理位置的改变，关键因子是白天和夜间叶面温度和气温之差。（来源：Science）

　　• 地球基因组：探讨环境大数据解决方案

　　2017年初，NOAA召开的一次有关数据的研讨会上，关于地球大数据面临的挑战与解决方案，同时吸引学者的注意。学者用类似基因组的关联理念，阐述从数据到各类决策应用之间，需要开放的有关数据的科学和技术平台以及需要竞争和用户驱动的工具和应用逐渐清晰，而各个阶段今天所面临的挑战，以及各阶段之间更好的协调，都是科学界认知思考的问题。（来源：NOAA）

　　• 哈维飓风导致雨量图标的改变

　　2016年8月哈维飓风导致的创纪录降水，美国气象局雨量图一下“被增加”了2个图标：20-30英寸雨量的紫色和超过30英寸的淡粉红色。德克萨斯州的CedarBayou在一周时间里降雨量接近52英寸，创下美国大陆降水纪录。（来源：《发现》）

　　• 河流-地下水相互作用机制

　　河流-地下水相互作用，包括保障饮用水供给、河流生态系统生物多样性丧失和流域环境管理等领域，是当代核心挑战内容之一。瑞士、加拿大、澳大利亚和德国等多国学者给出最新描述和模拟这一相互作用的评述。在示意图中，左图和右图分别给出河流和潜流的尺度及二者的关联。（来源：Reviews of Geophysics）

　　• WMO届会：“一带一路”获得认可

　　2017年召开的WMO执行理事会第69次会议（EC-69），将中国“一带一路”气象发展列作会议共识，此外，会议就机构改革、私企更多地参与气象、航空气象服务、北极问题等达成更多的一致意见。（来源：WMO）

　　• 世行：加快推进水文气象项目

　　世界银行在2017年加快了其气象水文项目在全球的部署，目前各类项目总数近40项。世行认为各国气象水文部门的现代化是一项高价值的投入，而制定机制、强化能力和可持续化较单纯的基础设施建设更具有挑战性。（来源：世界银行集团）

　　• ECMWF在意大利建立新的数据中心

　　2017年6月2日，ECMWF成员国通过了意大利政府的建议，即在意大利的博洛尼亚建立ECMWF的新数据中心。（来源：ECMWF）

4）美国8—9月疯狂飓风季的考验

　　• 哈维飓风预报：NCEP交出有底气的答卷

　　2017年美国繁忙的飓风季，借助即将投入业务的新一代静止气象卫星GOES-16给力的探测和模式的改进，美国气象部门在飓风预报上，已经赶上了EC模式：两个模式都提前4—5天较为准确的预报了哈维飓风的登陆地点（上图）。尤其难得的是，美国气象部门2017年8月27日，提前5天预报了飓风登陆带来的雨量分布并通知了FEMA，而这一雨量分布，无论是分布广度还是强度，都是史无前例的（下图）。（来源：NCEP）

　　• 厄玛飓风：更进一步

　　艾玛飓风预报，美国气象部门更进一步：在东大西洋热带低压形成之前，模式就扑捉到其未来将形成飓风；NWP模式提前8—10天提示美国东南沿海将受到威胁（左图）。尤其是飓风的快速北上转弯，美国气象部门基于有力的集合预报进行了准确的预报（右图）。正是这一预测，使得佛罗里达州政府在厄玛登陆前6天宣布进入应急状态。（来源：NCEP）

　　• 玛利亚飓风：快速加强尽在掌控

　　玛利亚飓风的特点，是24小时能从一级增强到五级超强飓风。对这一过程的预报，美国气象部门进一步也进行了很准确的预报：GFS准确预报了路径；在东大西洋热带低压形成之前，模式就扑捉到其未来将形成飓风；NWP模式提前8—10天提示美国东南沿海将受到威胁。（来源：NCEP）

　　• 极端天气频繁：气候变化在其中的作用

　　2017年8—9月3场飓风，尽管气象部门进行了很准确的预报，并在飓风登陆前，通过通报会等多种手段引起全社会关注，飓风依然造成近百人死亡（上图）。当未来飓风等极端天气在气候变化背景下是否会更加频繁出现？美国科学院（NAS）的专门研究报告给出了肯定的回答（下图）。（来源：NCEP/NAS）

　　• 多学科参与是最终解决气象减灾的关键

　　美国科学院在另一份报告里，强调了在天气事业发展中，需要融入社会科学和行为科学知识，才能更加有效地传播气象知识和预警信息，让气象预报为社会安康和人们福祉带来更大价值和有效应用。2017年美国飓风季的实践，让美国乃至全球气象人，思考这份报告的启发意义（报告介绍，见本刊2017年11期）。（来源：NAS）

5）“他乡”或许不再是“异乡”——EC“揭开灰色地带的谜底”学术会

　　• 会议背景：让气象学者拥有更大的“一亩三分地”

　　从物理学的角度看，气象学者真正拥有了自己的“一亩三分地”的标志，是1950年数值天气预报试验的成功，这标志着气象学者真正有能力用物理和数学方法，解析大气运动的规律。之后，气象学者快速开垦属于自己的领地的研发，大约是沿着两条线进行的：一条线是借助计算能力的提升让模式的分辨率更加精细化，从而获得更加精细化的模拟结果；另一条则更为重要，即在查尼用“滤波镜”看大气运动后，开始用“放大镜”观察大气运动的细节，让最初的被简化的非线性方程组，逐步放弃简化或简化的程度逐步降低，于是模式运作的“模拟天气”才一步一步接近真实的天气。在这样的改进进程中，一个重要的问题是无法绕开的：原始方程中那些用明显非线性数学方式表达的大气变量通量或其他变量间关系，到底能否用数值方法完美解析从而摆脱各类简化？为了回答这样的问题，目前全球数值天气预报的引领机构——欧洲中期天气预报中心（ECMWF）在2017年末，召开了一次有些特别的学术会议，会议名称就是“揭开灰色地带的谜底”（Shedding light on the greyzone，也可译为“照亮灰色地带”）。

　　这次看似“无厘头”的会议，实际上直指数值天气预报在进入水平分辨率为1-10km时，一些新的方法和技术手段可能带来的模拟能力在本质上得到提升机会。历时3天的会议，交流了30篇报告，报告人主要来自气象先进国家的气象部门（21人，其中：ECMWF5人、英国气象局4人、德国气象局3人、法国和韩国气象局各2人）和欧美大学等机构。

　　• 认识灰色地带：模拟过程角度

　　会议开始，来自ECMWF的两位专家在进行背景介绍时，分别从两个方面介绍了对会议主题中“灰色地带”的理解，并给出了他们的思考。AndyBrown在用一张目前模拟进程中，变量X在经过动力、参数化和耦合过程的演化图（图1）中，给出在物理参数化过程中产生的灰色地带涉及领域的例子：长波/短波辐射、对流、云与微物理、大气成分、边界层、湍流混合和重力波拖曳等。他在提出启发参会者的多个问题之后，提示的可能解答是对不确定性来源给出全新表达的可能性探索。他提出的问题包括：1）开展区域模拟十年多里针对灰色地带的认识有哪些？是否存在一般性的方法，或者是否存在对过程、个例和模式都十分关键的要素？2）传统的离散方法从传统物理动力学视角审视，是否在处理灰色地带时还行之有效，或者我们是否需要换个角度思考？3）km-量级地表异质性是基本可解析的问题吗？从复杂地形区域模拟中我们可以得到什么，是否能帮助我们在全球尺度上规范参数化？4）北半球动力过程对全球灰色地带天气和气候预报非常重要的证据是什么？5）在增加分辨率时需要怎样的随机参数化面对灰色地带？已有的概念是否适合1-10km范围？6）灰色地带全球模式并不便宜，当实现这样的分辨率时，计算/可伸缩性的机会和限制是什么？7）如何获得系统性的进步？是验证个例吗？

　　• 认识灰色地带：区域模拟角度

　　同样来自ECMWF的Nils P.Wedi则从区域模拟角度，进一步阐述了灰色地带。他认为，灰色地带就是一种在分辨率边缘的模拟（图2），要照亮全球天气和气候模拟的灰色地带，过去10余年的区域天气预报或许可以借鉴从而将模拟和预报推进到全球尺度。他认为，LES（大尺度涡旋模拟，这里指空间分辨率达到惯性次尺度，但无法分辨运动的最小尺度的模拟活动）对于区域天气预报，与区域向全球尺度的过度有一定的对比意义，更有很多信息和做法可以借鉴。

　　两位背景介绍专家的发言，大致为读者描绘了一张较为清晰的灰色地带的图像，即这样的地带是指数值天气预报和气候模拟活动中，因确定性的动力过程无法完整解析带来的对模拟对象没有把握的表达，或在模拟手段上采用的过渡性和缺乏成熟理论依据的方式。这样的灰色地带，即是气象模拟界面对未知挑战的一种概括，更是一种“自省”和提示。这样的地带，不仅会随着模拟活动的拓展而扩大，还会随着新技术或方法引进而被“收复失地”。

　　• 认识对流

　　本次会议报告中，有超过10篇报告主要关注的是对流问题。对流是让气象学界爱恨交加的主题：成功揭示大气大尺度对流活动即是数值模式价值的最好体现，又因为对流活动的多尺度性和复杂性，对这样过程的全面描述还需要更多的努力。

　　英国气象局的统一模式（UM）是业务预报模式分辨率提升的排头兵之一，该模式的流体静力学中尺度模拟在1990年代初，分辨率就达到17km，1998年为12km。2005年分辨率为4km的英国区域模式业务运行。目前扩展版英国区域模式（UKV），从2017年9月开始进行每小时循环运算。UKV模式通过开展提高分辨率，成为加入了对流模式，让模式的降水预报能力得到提升。在针对2014年7月8日一次降水活动的对比模拟结果（图3）可以看出，全球模式给出的降水在时间上市间歇的而且没能给出任何地形造成强降水的结果。而4km分辨率模式虽然在雨量分布上预报得更好，但也存在强降水偏多而弱降水偏少的问题。分辨率更高的1.5km模式在雨量模拟方面更好，尤其是在强、弱降水之间平衡方面。更高分辨率模式的模拟结果（图4）也在提示英国气象局未来模式发展的方向。这类研究和预报实践表明，尽管模式分辨率的提供并没有理论上的极限，但是在利用和验证这些结果的时候，需要考虑缺乏小尺度可预报性的知识。未来如何改进在km级模式中的对流表达，作者认为还是要依据观测带来的信息改进参数化方案，而未来模式进入100米分辨率的湍流模式阶段后，还需大量研究给予支撑，最初模式应该瞄准城市尺度模式和制定城市模拟战略。

　　• 热带对流

　　世界上最激烈的对流无疑发生在热带，而且因为这里的对流经常在垂直方向上有很厚的伸展，可到达平流层低层而被称为深对流。法国图卢兹大学和日本气象厅的学者，分别用一张图（图5）说明了深对流根据不同的模式分辨率进行模拟的方法以及不确定性的来源，以及所谓灰色区域在对流上的划分。法国学者还重点介绍了云解析模式（CRM）和LES方法在模拟热带深对流上的进展和挑战。研究表明，CRM在模拟MJO信号和日循环等方面表现较好，但因为缺乏云组织信息，导致模拟结果对湍流参数化非常敏感。而结合LES收敛性更好。而日本学者的研究，则更多从业务预报方面，介绍了JMA的2-km业务高分变率模式在预报强降水方面更加准确的优势。但是模式的对流启动延迟和对流活动持续时间偏长等问题困扰着研发人员。研究表明，对流启动问题有时是因为一些无法解析的小现象导致，因此这些现象应该在参数化中加入，而参数化面临的主要挑战，来自对卷吸/逸出（entrainment/detrainment）过程参数化效果，如当前2-km模式中积云高度过高可能来自缺少卷吸/逸出机制。

　　• 边界层和次网格难题

　　边界层问题的研究，尤其是涉及大气湍流等问题，几乎和气象问题具有同样悠久的历史，而次网格问题虽然随着模式分辨率的提升而在被压缩，却因大气运动一直可以追溯到气体分子尺度，新的次网格问题或许无法穷尽。

　　法国气象局学者在分析了湍流尺度、次网格尺度和天气尺度与模式格点距之间的关系（图6）后，指出了该领域的灰色地带，提出实现在灰色地带湍流分布纯次网格解析的目标。实现这一目标的方法也是多元和灵活的，一些边界层个例可以参照LES方法处理，而LES粗颗粒场，向纯解析场转化。此外，计算解析和次网格湍流通量的结合以及基于理论的一般化处理等。

　　法国学者还进一步介绍了LES水平粗颗粒场如何诊断并得到参考尺度的过程（图7），指出要素的细微结构当分辨率超过1km达到中尺度时消失，即在1km分辨率时可见的结构，可以视为湍流的灰色地带。

　　与法国学者多元化的思路不同，来自加州理工的学者介绍了统一参数化的理念（图8）。这一方法的思路，是将从小尺度的湍流到大尺度对流，实现统一的尺度调整参数化方案，即涡旋扩散/质量通量模型（Eddy-Diffusivity/Mass-Fluxmodel，EDMF）。这一模型目前已经在ECMWF、NCEP和美国军方得到应用，但面临的挑战体现在卷流模式、卷流间相互作用、预测卷流发生、与微物理过程的耦合和稳定边界层处理等几个方面。

　　• 会议启示

　　本次会议虽然局限于数值预报领域，内容复杂和前端，但关系到气象发展未来方向。本节仅略拾一二，试图让读者了解会议的框架信息。会上不仅很多报告还涉及了前述问题更多层面，一些主题报告，例如，针对地形、区域模式和不确定性问题，并未在文中介绍。

　　ECMWF组织的这次会议，类似会议的名称，有些灰色和低调，但是3天时间里数十位与会专家研讨的问题，却是数值模式（包括天气和气候模式）发展最核心的内容，也是气象学科内部必须直接面对的难点问题。换句话说，气象科学未来更大的突破，首先需要照亮目前的灰色地带。而主办方的办会目的也是十分明确的：为落实EC未来十年战略中研发5km全球模式出谋划策。EC要保持全球气象模式排头兵的地位，这样的战略设想固然十分关键，而面对制约模式发展的灰色地带，换句话说，在数值模拟领域尚有大量没有有效手段进行解析的“他乡”，这样的异域如何转变成学者们类似自己家乡的，能充分掌控的领地，需要从战略、战术和新理念、技术突破等多角度审视，从而找到一条可行之路。参会的学者在报告中，也各自诠释了他们对灰色地带的独特理解，让这一概念瞄准了更多的未知但关键的领域和模式改进细节。可以是，参会专家是未来天气气候模式重要改进的工匠中的代表，正是这些工匠们的不懈努力，目前模式中用灰色地带代表的“他乡”，或许在以后不再是“异乡”，而这样的谜底揭开之时，将是天气气候模式模拟技术真正实现换代的开始。

6）数字解读2017年

　　270万年

　　2017年8月，普林斯顿大学和缅因大学学者宣布，他们在南极钻探出形成于270万年前的冰芯，该项成果被Science杂志列为2017年十大科学突破之一。

　　13个月

　　美国新一代地球静止气象卫星GOES-R于2016年11月19日升空13个月后，更名为GOES-16于2017年12月18日定位于西经75.2°并投入业务化运行。

　　1350亿美元

　　2017年全球最大的再保险公司——瑞士再保险公司赔付自然灾害损失达1350亿美元，创历史记录，这些灾害主要来自美国最昂贵的飓风季节、南亚大面积洪水等灾害，而未保险的损失更高达3300亿美元，损失程度仅位于2011年（3540亿美元）之后。

　　20%

　　一项基于NASA卫星监测数据的研究表明，过去几年南极臭氧洞内的氯气含量缓慢下降，该区域臭氧消耗量比2005年减少约20%，这是科学家获得的第一个臭氧洞正在愈合以及1985年签署的《蒙特利尔议定书》有效性的直接证据。

　　50年前

　　半个世纪前，在美国曼哈顿召开了一次讨论未来的会议，会议对50年后的2018年进行了各种预测，会上气象学家托马斯·马龙的语言不幸成真：如果大气中二氧化碳一直上升，人类将改变气候。

　　16起

　　美国2017年发生了16起损失超过10亿美元的灾害，与2011年同等灾害数量持平，但总损失刷新2005年创下的纪录。其中，美国历史上损失最惨重的5次飓风中有3次发生在2017年。

　　35个

　　美国科学院继2007年之后，再次发布地球观测十年战略报告，这份被很多学者期待的报告，就未来提出35个有待回答的问题，涉及地球水循环如何变化、空气污染长期变化趋势、海平面上升等领域。

　　2%

　　德国学者的研究表明，2012—2016年间，地球的夜空正在变得越来越明亮，人工照明所覆盖的户外空间以每年2%的速度持续增加。

　　0.5米

　　2018年1月9日，我国成功以一箭双星方式发射高景一号03、04号星，与2016年12月发射、2017年4月开始在轨服务的01、02星组网运行后，标志着我国首个0.5米分辨率商业遥感星座建成。

　　379天

　　中国大洋考察队2016年12月23日布设在西南印度洋2900米深洋脊区的深海环境观测锚系，在运行了379天后被成功收回，获取了系统搭载的温盐深传感器、海流计、浊度仪、沉积物捕获器、生物诱捕器和水听器等28套仪器探测资料。

　　6.35%

　　美国学者基于2008—2012年150多万美国退休老人的1100万份健康数据，与气象部门的晴雨数据匹配后发现，下雨天有6.35%的医生接诊了关节痛患者，而在干燥日子这个比例是6.39%，表明关节痛和雨天没有联系。

　　50千米

　　日前，中欧合作制造成功的地球静止气象卫星毫米波探测样机通过了验收，样机包括中方负责研制的50-56GHz大气温度探测仪和欧洲负责研制的183GHz大气湿度探测仪，集成后可获得地面分辨率优于50千米的温湿廓线三维分布。