會(huì)預(yù)報(bào)天氣的葡萄？這是甚么超能力？難道是最新的黑科技？其實(shí)，此葡萄非彼葡萄，它是指中國氣象局自主研發(fā)的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立標(biāo)誌著中國已經(jīng)成為國際上少數(shù)幾個(gè)擁有自主數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的國家。

會(huì)預(yù)報(bào)天氣的葡萄？這是甚么超能力？難道是最新的黑科技？

其實(shí)，此葡萄非彼葡萄，它是指中國氣象局自主研發(fā)的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，全稱為Global/Regional Assimilation and Prediction System全球/區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GRAPES）。該系統(tǒng)的建立標(biāo)誌著中國已經(jīng)成為國際上少數(shù)幾個(gè)擁有自主數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的國家。那么，這個(gè)葡萄究竟有什么特別之處呢？它如何預(yù)報(bào)天氣？又是怎樣培育出來的？

葡萄的成長

古時(shí)，人們往往從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，看云識(shí)天氣。因此也流傳下來許多類似朝霞不出門，晚霞行千里、空中魚鱗天，不雨也風(fēng)顛、天有城堡云，地上雷雨臨的氣象諺語。

一般認(rèn)為，現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)始于天氣圖的誕生。1854年11月克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)期間，英法聯(lián)軍因黑海風(fēng)暴一度受挫。事后，法國政府命巴黎天文臺(tái)臺(tái)長勒威耶（U.Le Verrier）查明風(fēng)暴的來龍去脈。他發(fā)現(xiàn)，如果及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴并預(yù)報(bào)它的移動(dòng)，損失是可以避免的。所以，勒威耶提出組織氣象觀測(cè)網(wǎng)，將觀測(cè)資料集中起來繪製天氣圖，預(yù)測(cè)天氣變化。此后，繪製天氣圖成為天氣預(yù)報(bào)的一項(xiàng)日常工作，并陸續(xù)推廣至其他國家。這種方法直到今天，也仍不失為一種有效的預(yù)報(bào)手段，但它的準(zhǔn)確率及便捷程度不夠高。

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，人們利用它製作數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，真正讓天氣走在了時(shí)間前面。因?yàn)榇髿馐且环N流體，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以用流體力學(xué)的公式計(jì)算出來。這套公式即數(shù)值模式，也是數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的靈魂。但是，數(shù)值模式無法直接識(shí)別衛(wèi)星、雷達(dá)等儀器捕捉到的觀測(cè)資料，需要先將資料處理成模式能消化的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化資料的過程被稱為資料同化。接著，超級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)值模式進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果由預(yù)報(bào)員分析，最終得出我們平時(shí)看到的天氣預(yù)報(bào)。

數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)涉及衛(wèi)星、雷達(dá)、超級(jí)計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)，它提高了天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，也能預(yù)測(cè)未來更長時(shí)間的天氣。因而被譽(yù)為氣象事業(yè)的芯，是氣象事業(yè)最重要的核心技術(shù)。

中國在這一領(lǐng)域的研究起步晚，很長一段時(shí)間都依賴于引進(jìn)國外的系統(tǒng)，將歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為參考的主要模式。那么，為何不繼續(xù)引進(jìn)，而選擇投入大量人力物力以及時(shí)間去研發(fā)自己的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)？

一方面，引進(jìn)需花費(fèi)重金。另一方面，實(shí)際應(yīng)用過程中，國外系統(tǒng)沒有考慮中國獨(dú)有的氣象地理環(huán)境。加之國外的核心技術(shù)始終保密，我們發(fā)現(xiàn)了問題難以從根本上改進(jìn)，用起來限制重重。中國氣象科學(xué)研究院前院長張人禾2008年指出，中國是一個(gè)氣象災(zāi)害頻發(fā)的國家，上世紀(jì)九十年代以來，平均每年因各種氣象災(zāi)害造成的農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)4800多萬公頃，受災(zāi)人口約3.8億人次，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1800多億元，約佔(zhàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值的2.7%。如此嚴(yán)重的情況之下，水土不服的國外系統(tǒng)無法充分滿足防災(zāi)減災(zāi)、保障國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和民眾生命財(cái)產(chǎn)的需求。

因此，1999年內(nèi)地開始研發(fā)GRAPES全球/區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，播下葡萄的種子。2001年， GRAPES先在區(qū)域模式上取得成功。然而種植葡萄并不是一帆風(fēng)順的，因?yàn)閿?shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)都是一門學(xué)問，各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)計(jì)算方案需要反復(fù)推敲，牽一髮而動(dòng)全身的情形時(shí)常出現(xiàn)，僅僅是一個(gè)微小的問題都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降，甚至全部推翻重來。經(jīng)過數(shù)年的回報(bào)試驗(yàn)，克服一系列技術(shù)難關(guān)后，2016年，葡萄終于熟了， GRAPES全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)正式業(yè)務(wù)化運(yùn)行并面向全球下發(fā)產(chǎn)品，被視為數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)體系全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

特別的葡萄

GRAPES解決了內(nèi)地?cái)?shù)值預(yù)報(bào)長期面臨的資料不能有效利用的問題。雖與ECMWF（歐洲）、NCEP（美國）和日本等國際主流同期數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品相比尚存在一定的差距，但它的各項(xiàng)性能指標(biāo)已總體超過內(nèi)地現(xiàn)行的全球業(yè)務(wù)模式系統(tǒng)T639，開始與T639共同服務(wù)于中國的氣象事業(yè)（因GRAPES投入業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)間還不長，未能完全取代T639）。

T639是引進(jìn)集成和再創(chuàng)新的模式，其核心技術(shù)是之前從美國和歐洲引進(jìn)的，它的主要問題在于所用資料較少，衛(wèi)星資料佔(zhàn)比不超過30%，無法有效使用國家花費(fèi)幾十億開發(fā)的氣象衛(wèi)星和氣象雷達(dá)。而GRAPES採用了四維變分同化系統(tǒng)（4DVAR），資料應(yīng)用水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過T639，衛(wèi)星資料佔(zhàn)比達(dá)到70%。衛(wèi)星資料同化方面優(yōu)勢(shì)明顯，這是一個(gè)很大的技術(shù)進(jìn)步。

為什么僅憑應(yīng)用資料的多少就可以判斷兩個(gè)系統(tǒng)的高下？

因?yàn)閿?shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)處理資料時(shí)與人類學(xué)習(xí)相似。我們?cè)趯W(xué)習(xí)的過程中掌握的知識(shí)愈多，成績(jī)自然會(huì)愈好，同理，數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)能否成功預(yù)報(bào)也主要與數(shù)值模式和各種觀測(cè)資料的吸收有關(guān)，當(dāng)T639和GRAPES的數(shù)值模式都日臻完善，模式誤差得到有效控制，那么哪一個(gè)系統(tǒng)能應(yīng)用更多的資料就成為關(guān)鍵。GRAPES不僅能對(duì)常規(guī)的高空、地面觀測(cè)進(jìn)行同化，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星垂直探測(cè)器的輻射率資料、多普勒天氣雷達(dá)遙感資料和衛(wèi)星導(dǎo)出產(chǎn)品的直接同化，大大擴(kuò)展了數(shù)值預(yù)報(bào)中觀測(cè)資料的使用範(fàn)圍。

葡萄的應(yīng)用

目前，GRAPES已開發(fā)了一系列可用于不同領(lǐng)域的數(shù)值預(yù)報(bào)模式：

GRAPES區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GRAPES-Meso），對(duì)中國區(qū)域的降水進(jìn)行短期60h以內(nèi)預(yù)報(bào)，如降水發(fā)生區(qū)域、降水強(qiáng)度、降水出現(xiàn)時(shí)段等。

GRAPES颱風(fēng)預(yù)報(bào)模式（GRAPES-TCM）對(duì)颱風(fēng)路徑類型、強(qiáng)度、登陸過程以及移向或移速突變等都表現(xiàn)出良好的預(yù)報(bào)性能，24h颱風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差連續(xù)五年小于美國、日本氣象部門。

在對(duì)2018年于上海登陸的10號(hào)颱風(fēng)安比的監(jiān)測(cè)中，風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星和GRAPES全球數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的互動(dòng)，可算是葡萄發(fā)揮作用的一個(gè)典型例子。7月23日，GRAPES向3.6萬公里高空上的風(fēng)云四號(hào)發(fā)出指令，風(fēng)云四號(hào)展開對(duì)地面的觀測(cè)，觀測(cè)資料及時(shí)回傳，實(shí)時(shí)同化到GRAPES的4DVAR系統(tǒng)中，得到資料后的GRAPES計(jì)算出颱風(fēng)危及的敏感區(qū)域，提前掌握颱風(fēng)路徑和降水特徵，為精準(zhǔn)預(yù)報(bào)安比的影響提供了技術(shù)支撐。

GRAPES沙塵暴預(yù)報(bào)模式（GRAPES-SDM），基本上可以準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出中國沙塵暴的發(fā)生與發(fā)展。

GRAPES雷電預(yù)報(bào)模式，對(duì)北京地區(qū)的幾個(gè)個(gè)例進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果表明其有著良好的大氣雷電預(yù)報(bào)能力。

與GRAPES相嵌套的云降水顯式方案，所預(yù)報(bào)的云結(jié)構(gòu)和相態(tài)分布為人工影響天氣業(yè)務(wù)提供了指導(dǎo)。

2008年GRAPES短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GRAPES-SWIFT）與美國、加拿大等國際上七個(gè)系統(tǒng)一起為北京奧運(yùn)會(huì)和青島奧帆賽提供氣象保障服務(wù)，現(xiàn)已在全國各地推廣應(yīng)用。

遠(yuǎn)渡的葡萄

除了在國內(nèi)廣泛應(yīng)用外，葡萄也隨一帶一路倡議一起走出了國門。

一帶一路沿線多數(shù)國家與中國的情況相似，氣象災(zāi)害頻發(fā)，并且這些國家監(jiān)測(cè)能力相對(duì)較弱。而中國氣象方面的技術(shù)日益成熟，在葡萄的支持下，內(nèi)地24h晴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、最高溫度和最低溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率悉數(shù)提高，達(dá)到世界先進(jìn)水平。簡(jiǎn)單地說，就是看了天氣預(yù)報(bào)不下雨出門卻下雨的可能性已經(jīng)很小。

截至2017年6月，葡萄產(chǎn)品數(shù)量已增至70種，包括23種歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心所沒有的但在內(nèi)地氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中有需求的產(chǎn)品，形成了有特色的產(chǎn)品體系。這些準(zhǔn)確率高、內(nèi)容豐富的產(chǎn)品通過中國氣象局衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)等途徑出口到泰國、越南、菲律賓等東南亞國家以及烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦等中亞國家。

好似一個(gè)奇妙的輪迴。公元前二世紀(jì)，張騫出使西域，開闢絲綢之路，將葡萄這種水果帶到中原。二十一世紀(jì)的今天，由中國研發(fā)的葡萄數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)遠(yuǎn)渡他國，為提升當(dāng)?shù)貫?zāi)害性天氣預(yù)報(bào)能力、延長預(yù)警時(shí)效、增強(qiáng)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品在災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用技巧等作出中國貢獻(xiàn)。

參考資料：

《GRAPES隔空指揮風(fēng)云四號(hào)加密觀測(cè)》中國氣象報(bào) 2018/8/7

《天氣預(yù)報(bào)中國芯，你知道多少？》中國氣象局 2018/5/7

《GRAPES全球數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)：十年磨一劍》中國氣象局 2016/1/26

《我國自主研製的全球/區(qū)域一體化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES的應(yīng)用與展望》中國工程科學(xué) 2012年第14卷第9期

《中國國家級(jí)新一代業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES的發(fā)展》中國科學(xué) 2008年第53卷第20期

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