從古至今，人們從未停止過預測天氣。而數值預報的出現，終于讓“計算天氣”成為可能，但這注定是一場艱難而漫長的征途。與其他變革不同，數值預報的難度極大，也被國家最高科學技術獎得主、氣象學家曾慶存稱為一場“從無到有的變革”。

盡管道阻且長，但剛剛過去的十年，一定是值得被鄭重标注的節點。這十年，我們離“解讀”地球系統的目标邁進了重要一步。每天，國、省、市、縣四級氣象部門向外滾動發布預報産品，而無論是小到一個街道，大到省份、全國乃至全球，無論是未來3天、10天，還是兩個月、一年，甚至數年，每一份預報結論的背後，都有“中國智造”數值預報業務系統作支撐。它們名稱不同、任務各異，但加在一起，正代表着我們已擁有一套完整且完全自主的數值天氣預報業務體系。

當站在2022年，我們望向這一龐大體系：它能夠并且正在解答地球系統的哪些重要問題？若我們進一步把視野打開，帶來這些偉大變革的，究竟又是一股怎樣的力量呢？

置入“芯片” “計算”地球

現在，我們以此時此刻為一個“點”，面向前後分别拉一條線，後面一條線代表過去，前面一條線代表未來。

每一天，中國氣象局數值天氣預報業務體系按時按點高時空精度産出海量産品。加一點想象力，你可以把這一過程看作對地球風雲的“解碼”。順着我們畫好的時間之線，從過去到未來，它正在将一幅怎樣的地球風雲圖景以科學的形式展現在我們面前？

2021年9月30日，中國氣象局地球系統數值預報中心啟動會現場

時間拉回到1979年，從那時到現在，我們能看到過去40多年來，從地面到55公裡高度的全球三維大氣狀況，正以水平分辨率34公裡的格點、時間分辨率6小時的速度一路向前，完整重現。原本分散的資料，被轉化為均勻、精确、可信的格點化數據。這背後，突破原始觀測資料局限的，是我國第一代全球大氣/陸面再分析系統（CMA—RA）。

稍微擡眼看去，每3個小時就更新一次的天氣預報産品，正在告訴你未來3天哪些地方可能會出現局地強對流和極端天氣。這背後，快速循環同化的中國氣象局中尺度天氣數值預報系統（CMA—MESO）以及區域集合模式（CMA—REPS）、台風模式（CMA—TYM）提供了重要支撐。說一個最近的，當9月14日各級氣象部門正全力迎戰向我國華東沿海一路奔襲的台風“梅花”，區域集合模式和台風模式等提供的台風路徑、強度、風雨預報産品，正在為預報員分析研判、精準預報提供必不可少的參考……

如果想知道再遠一些的，比如10天、15天全球天氣形勢如何？是否會發生大範圍轉折性天氣？高影響天氣發生的概率如何？沒問題，無論是确定性預報，還是概率預報，中國氣象局全球同化預報系統（CMA—GFS）和全球集合預報系統（CMA—GEPS）等都能提供豐富而全面的産品。還是台風“梅花”，早在9月8日，也就是它最終登陸的幾天前，CMA—GFS和CMA—GEPS就已經“捕捉”到它并開始不斷滾動提供路徑、強度等預報産品。

當然，不少行業希望能夠提前獲知未來兩個月甚至一年的氣候狀況，比如溫度、降水、大氣環流等大緻特征，以作提前規劃。從科學上，這已遠超天氣預報的可預報性，但是，次季節—季節—年際尺度一體化氣候模式預測業務系統（CMA—CPS）通過探尋與天氣預報不同的理論體系，正在提供包括次季節—季節和季節—年際預測問題在内的科學回答。

在全球氣候變暖的當下，預知百年之後全球氣候将何去何從，漸漸正在成為全社會的“剛需”，中國氣象局研發了包含大氣、陸面、海洋、海冰多圈層耦合的氣候系統模式，已開始參加世界氣候研究計劃（WCRP）組織實施的第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）了……

這很尋常，因為在2022年，每天無論全國哪個地區的氣象預報員，都可以沿着這一條時間線，輕松調用任一想要參考的産品。這也很不尋常，十年中，随着這些關鍵系統相繼投入業務應用，“拼圖”被一塊塊放上，最終，一個完整的地球風雲圖景被展現出來。

是的，這是一個無縫隙天氣氣候預報預測數值模式體系。

系統工程 科技驅動

從量變到質變，一定是點滴積累。在CMA模式的發展中，我們看到的是整個系統工程的“向上”和“向前”。

十年中，與CMA模式發展有關的大事記有很多，其中，有幾個科學名詞被反複提及，“四維變分”和“集合預報”正是其中之二：對于提高數值模式天氣預報的準确率和可用度，單個模式往往難以達到目标，故常采用集合方法；與三維變分相比，四維變分可更有效同化更多高時間頻次的常規資料和各類衛星資料，故要狠下決心做。

然而，知易行難。2018年7月，帶有四維變分同化系統的CMA全球預報系統投入業務運行，4個月後，國家級完整數值預報業務體系的最後一塊“拼圖”——中國氣象局全球集合預報系統通過業務化驗收評審，讓科學設想真正成為現實的，正是對最核心技術的無數次“解鎖”：從四維變分中非靜力全可壓全球切線性模式和伴随模式的創新，到模拟初始大氣誤差概率密度函數的最佳方法，利用奇異向量構造的集合預報初始擾動，在這個必須直面的“戰場”上，我們實實在在擁有了自主知識産權的核心關鍵技術。

如果把視野進一步放寬則會發現，這樣的情形不隻在數值模式本身，在大氣運動規律的數學物理表達被解鎖的同一時代，與之關聯的整個系統工程都在以類似的節奏同步發展。

伴随日均觀測數據使用量從三維變分的140萬到四維變分的210萬，必須提到的是其中衛星數據種類成倍提升，起重要支撐作用的是我國“風雲”系列衛星資料全面應用。十年中，“風雲”衛星家族增加7位新成員，它們帶來的絕不僅是數量的變化，更是此前國内甚至國際從未有過的衛星觀測數據。

當升級到5.0版本的中國氣象局中尺度天氣數值預報系統（CMA—MESO）建立起3公裡分辨率逐3小時快速循環同化預報系統時，這背後，是全國192部實時業務雷達資料的同化應用。十年中，雷達監測網規模世界第一，236部新一代天氣雷達“即掃即傳”，業務可用性達99%。

不僅是衛星，也不僅是雷達，當數值模式已經從最初簡單的正解方程發展到世界上最複雜的軟件項目之一，海量數據和數百萬條代碼如何才能自如“馳騁”？我國自主研發的國産高性能計算機“派—曙光”為它們搭建了一個自由的“疆場”。正是依托這樣一個高性能計算和支撐平台，中國氣象局全球同化預報系統（CMA—GFS）和全球集合預報系統（CMA—GEPS）有了業務化的“底氣”，也創造了模式運行效率顯著提升的可能性……

隻看這些科學本身的力量，已足以讓人熱淚盈眶。但如果我們再往前探尋，又是什麼支撐起來了這些科技進步和偉大變革？我們看到的，是每一個個體探尋前沿科學的勇氣和毅力。

2021年底，當“區域/全球一體化數值天氣預報業務系統”榮獲國家科學技術進步獎二等獎，當十年磨一劍甚至是數十年磨一劍的團隊成員來到人民大會堂時，他們心中的所想依然是在攀登路上——在領獎前的一個月，中國氣象局地球系統數值預報中心成立，望向大力發展我國自主可控的地球系統數值預報模式這個共同的“山峰”，每個人都重新審視了那條屬于自己的攀登之路。

對于地球系統的基本物理、化學和生态系統過程，下一個十年，将會有哪些新的認知被解鎖？将會有哪些新的系統被打造？我們期待。

中國氣象局宣科中心（中國氣象報社） 出品

作者：盧健

編輯：張琳皓 谷星月 宛霞

審核：段昊書

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!