GRAPES：十年磨一劍

管成功

我們日常的天氣預報就是預報一個地方未來某個時刻的大氣狀況（包括溫度、風速、風向、濕度和氣壓）和天氣現象（晴、多云、雨、雪等）。以前，人類只能通過觀察當前的天氣現象結合經驗來預測未來的天氣狀況，如“朝霞行千里，晚霞不出門”等。后來，隨著科學技術的發展，數值天氣預報也應運而生，并且在人們的日常生活中發揮著重要作用。

初識數值天氣預報

大氣是一種流體，它的基本運動遵循著流體力學基本理論。氣象學家們通過對大氣運動所遵從的流體力學和熱力學的基本定律進行理論推導，得到了一組關于大氣狀態變量的偏微分方程，包括運動方程、熱力學方程、連續方程、狀態方程和水汽方程，他們稱其為大氣運動的基本方程組。在已知大氣的當前狀態與大氣周邊的環境條件（前者為初始條件，后者為邊界條件）下求取方程組的近似數值解，就是數值天氣預報。

數值天氣預報為人類能夠預測未來更長時間的天氣提供了科學上的依據，天氣預報水平也因數值天氣預報的出現而得到大幅度的提高。數值天氣預報在應用上分為理論研究和業務應用，我們日常為氣象預報和服務提供重要支撐的是業務數值天氣預報，業務數值預報系統每天24小時都在運轉，并在特定時刻啟動未來天氣的滾動預報，生成預報產品。

GRAPES的誕生

20世紀90年代初，中國氣象局從世界最先進的數值天氣預報中心—歐洲中期天氣預報中心引入了T42、T63、T106、T213系列數值預報系統，并在2008年自行升級到T639，使我國成為了世界上少數幾家能夠提供全球1～10天預報產品的國家。

1999年，中國業務數值天氣預報走上自主研發之路，我國自主研發的數值預報系統有個很好聽的英文名字“葡萄”，即GRAPES，它的英文全名是Global-Regional Assimilation and Prediction System，即全球區域同化預報系統。GRAPES包括了同化和模式兩大核心模塊，根據應用領域不同又衍生了GRAPES-MESO（中尺度模式）、GRAPES-GFS（全球模式）和GRAPES-TYM（臺風模式）等系統。然而，真正能代表我國自主研發的業務數值預報技術能力的當屬GRAPES全球數值預報系統。

數值天氣預報的來龍去脈

因數值天氣預報是一個在計算機上進行計算的問題，所以需要有規則的數據排列和整齊劃一的數據單位。

預報時，首先要將覆蓋在地球表面的大氣進行網格化處理，這就如同將地球從地表面向上直到對流層頂，蓋上若干層有規則的、相互間有一定距離的網。按照一定數學規律，GRAPES給地球覆蓋了水平網格距為25千米的大網，從地面到大氣平流層底（大約35千米）一共鋪設了60層，使地球大氣形成了一個無形的巨大的網格空間。然后，利用資料處理技術將來自全球的各種氣象觀測工具獲得的觀測資料，如地面觀測站、探空觀測、雷達觀測和衛星觀測等，合理分布到每一個網格點上，從而獲得某一個特定時刻與真實大氣最為接近的三維網格分布。

當每60層網格點上都有數據后，我們就擁有了一個非常規則完整的大氣狀態，從而為進行數值計算提供了必要的初值條件。下一步就是采用已經離散化處理的大氣運動方程組估算各個網格點上下一個時刻的大氣狀態。在國內外眾多模式中，GRAPES采用的理論方法如垂直坐標的選取、水平網格的選取、數值計算的穩定性、精度，質量和能量守恒性等方面，均較為先進。

GRAPES的時間積分采用的是國際流行、先進的半拉格朗日積分方案，其積分時間間距靈活性較大。在目前0.25度分辨率下，每次積分間距是5分鐘，拿全球10天預報來說，就是要積分2880次才能完成。為了滿足天氣預報業務需求，如此大的計算量和數據存儲量需要非常高性能的計算機才能在有限時間內完成。

在完成大氣運動方程的積分后，還需要考慮外界對大氣的影響，引起大氣要素的改變，如太陽輻射、地面和海洋對大氣的熱力學影響，以及降水等相態變化帶來的影響。這時，GRAPES系統中另外一個重要部分—業內人士稱之為物理過程—開始發揮作用。物理過程包括大氣輻射、邊界層、陸面過程、云過程等方面，主要是熱力學屬性的變化對大氣狀況的影響。在大氣運動學計算完成后，GRAPES會根據一些科學參數方法將物理過程的熱力學貢獻增加上，同時對天氣現象進行計算，如在一個時間間隔內下了多少雨、天空云量分布等，這樣就完成了1步的時間積分。如此重復2880步，就完成了未來1～10天的預報。

（責任編輯/岳萌 ?美術編輯/胡美巖）endprint