贾朋群 田晓阳
美国国家气象局（NWS）计划于2019年6月12日更新其全球数值天气预报模式。新的模式系统，在技术层面上被称为GDAS/GFSV15.0.0（一般以其新的动力核心为标志，简称为GFS-FV3模式），将替代之前的基于谱模式（NEMSGSM）的GFS系统（但是，旧系统依然平行运行到9月30日）。新系统确定性预报的分辨率达到约13km，垂直64层，顶层位于0.2hPa。新系统将以一致的分辨率进行16天以内的所有业务化预报。在输出端，新系统将给出非流体静力学垂直速度（dz/dt）、更多的云分析结果、全球雷达回波拼图、3D云量和持续累计降水等新变量。
官方保持低调
针对本次换代模式的业务化，NWS官方保持低调处理。这与该模式启动时的高调形成了强烈对比。其中原因无疑是因为美国和全球气象界基于模式准业务运行阶段的性能，认为模式并没有达到其预期——成为全球最强大的天气预报系统。初步结果显示，目前的系统性能，依然落后于美国在欧洲的两个“对手”——欧洲中期天气预报中心和英国气象局，就连NOAA执行局长NeilJacobs也认为，新模式系统依然在世界上排名第三。然而，这位曾经在松下公司负责模式开发的局长指出，重要的是FV3带来的变革氛围，会从此开启大幅度提高美国预报模式技巧的阶段。这一点也能从5月份NOAA召开的“2020—2022财年统一预报系统战略实施计划（UFSSIP）规划会等看出端弥。
支持GFS-FV3的NGGFS项目
到2019年6月，随着GFS-FV3的业务化，NGGFS（下一代全球预报系统）项目在理论上取得了进展。回望该项目的实施历程（图1），无不夹杂着预报领域国家间竞争，以及天气预报系统因为越来越成为国家抗击灾害和保护民生的重器而受到前所未有的关注。
GFS-FV3性能
尽管GFS-FV3存在一些欠缺，例如在模式系统的验证期间发现，模式对降雪的预报出现较大偏差，从而使得模式验证期被延长。然而，系统用于实时预报并在验证期后调整模式配置后，还是得到了模式性能得到改进的指标。
图2给出模式验证的结果，可以看出相对于原预报系统模式，新系统的距平相关系数提升了大约0.01；而针对飓风预报，这一提升更为显著，达到0.015。新系统在2018-19年冬季，对流层低层的冷偏差得到了较好的修正。新系统更多的改进包括，例如，强热带气旋强度和路径（5天内）预报、暖季降水日循环、多个热带气旋中心虚报、重要对流产生地面冷池、美国大陆2m温度预报改进等。
业务化的GFS-FV3目前尚存在的问题，研发机构也进行了说明。例如，天气型的过分传播、中等降水偏少、美国中西部2m极端温度偏高、因对流方案变化有时出现奇怪的次要（非热带）低压、NHC报告新系统削弱了大西洋海域（初始风>65kts）飓风路径预报和两代模式均在东海岸气旋东北部经常极少有降水等。
GFS-FV3的未来或许更加可期
尽管GFS-FV3的V15版刚刚投入使用，其改进的V15.1版已经开始紧锣密鼓准备中。新版本将基于NWS执行委员会的建议进行更新，其中时间较长的30天IT稳定性检验已经在2019年5月10日开始。
GFS-FV3实质性的升级，V16版预计将在2021年2季度推出（图3），该版本将结合V15运行，在模式和数据同化等多个方面，包括更多大幅度的改进，以下为这些改进的例子。
模式方面
分辨率大幅度提升，垂直层数从64增加到127，模式顶也从目前的54km提升到80km；水平分辨率从13km增加到10km（基于业务资源）。
动力方面，将采用GFDL的新对流算法；PBL/湍流：从K-EDMF到sa-TKE-EDMF；重力波拖曳修正为统一的重力波拖曳；辐射更新到云重叠假定等
数据同化方面
采用局地集合Kalman滤波（LETKF），包括早期气旋更新以支持GEFS
4-D增量分析更新（4DIAU）、基于陆地表面扰动的随机动能反向散射（SEKB）、平流层湿度增量、改进近表面海温（NSST）分析
陆地数据同化、改变和捕获集合成员以拓展集合规模、改进云分析和Delz增量
“统一”化是GFS转向的标志
美国气象局GFS预报系统的这次更新，绝不是简单意义上的升级，而是2016年以来前期研发的成果，更是NOAA和NWS选择新的模式发展机制和方向的开始。2019年2月，NOAA与NCAR就合作开发新的最先进的美国模拟框架签订了协议。这份协议的最大意义在于美国国家天气气候模式开发，将来将在一个统一平台上发挥包括高校和企业在内的各界优势，形成的模式、系统或平台，将更多地以“统一”开头。这一点被NOAA局长NeilJacobs在协议签订后的表态一语道出真谛：“历史上，公共和私企开发的天气和气候模式的不同架构，为快速实现最优提出了挑战。这一新框架让整个过程流畅，让整个天气界的研究和预报人员手握同样工具，加速预报模式的开发。”