我國區域數值預報業務發展與思考＊

劉 慧，崔喜愛

（1.中國氣象局預報與網絡司，北京 100081；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

1 概述

區域數值模式是提升氣象預報精準化、客觀化的關鍵，我國的區域數值模式經過多年引進吸收與自主研發，國家級和8個區域中心均建立了區域數值預報業務系統，模式分辨率不斷提升、預報范圍逐步擴展。隨著精細化氣象預報服務需求的不斷提升，對區域數值模式提出了更高的需求，本文旨在梳理我國近年來區域數值模式研發和業務應用現狀，為區域數值預報業務集約化、規范化發展提供建議和對策。

2 區域數值預報業務發展現狀

2.1 國外區域數值預報發展現狀

區域數值模式在20世紀80年代已有所發展，進入2000年以來，隨著計算機技術和觀測技術的快速發展，以及大氣動力學理論與數學物理發展的密切結合，國際上區域數值模式已發展得相當先進，并在世界范圍廣為使用[1]。當前，國際上區域數值預報發展的新熱點是對流可分辨尺度數值模式。主要的發達國家已經普遍建立了1～3 km水平分辨率的區域數值預報系統和集合預報系統，比如英國氣象局1.5 km分辨區域數值預報系統和2.2 km分辨率區域集合預報系統，法國氣象局1.3 km分辨率區域數值預報系統和2.5 km分辨率區域集合預報系統，德國2.8 km分辨率區域數值預報系統和2.8 km分辨率區域集合預報系統，美國環境預報中心3/1 km分辨率區域快速循環數值預報系統，日本氣象廳2 km分辨率區域數值預報系統。國際上仍持續推動發展更高分辨率的區域數值預報系統和對流尺度區域集合預報系統，在技術上使用大量非常規觀測來改善模式云的初始化，例如多尺度同化方法與雷達和衛星等遙感數據的有效應用相結合，發展適合對流尺度的物理過程參數化方案，同時，基于對流尺度模式，以短時間間隔的高分辨率快速循環同化系統支撐臨近預報業務，以對流尺度分辨率的集合預報支撐對中小尺度不確定性的短臨預報業務[4-6]。

2.2 我國區域數值預報發展現狀

從20世紀90年代初開始，隨著地方防災減災對氣象預報服務需求的日益增長，各省（區、市）氣象局紛紛爭取地方資金支持，以引進美國國家大氣研究中心（The National Center for Atmospheric Research，NCAR）的 MM4（Mesoscale Model 4）、MM5（Mesoscale Model 5）和 WRF（Weather Research and Forecasting Model）中尺度模式為主，先后建立了水平分辨率為10～100 km的區域中尺度數值預報系統。中國氣象局在2000年初開始了我國自主知識產權的GRAPES（Global and Regional Assimilation and Prediction System）模式的研發工作，區域數值預報業務系統GRAPES-MESO于2006年正式業務化運行[2-3]。

隨著精細化預報服務的需求越來越高，我國區域數值模式在2010年后發展迅速，在中國氣象局關于數值天氣預報業務向國家和區域兩級集約的要求下，目前，國家級基于GRAPES建立了覆蓋全國的10～15 km分辨率、預報時效為84 h的區域確定性和集合數值預報業務系統，8個區域氣象中心基于GRAPES或WRF分別建立了覆蓋本區域或全國的3～9 km分辨率、預報時效72～120 h的區域數值預報業務系統，部分區域中心建立了3 km分辨率、預報時效從12～24 h的快速循環同化預報系統，為全國和區域內各省（區、市）提供高分辨、高頻次的區域數值預報產品[4]。

為了推動區域數值預報的集約化、規范化發展，2015年，中國氣象局出臺了《關于規范全國數值天氣預報業務布局的意見》，在意見帶動下，華北、華東和華南區域氣象中心相繼成立了區域內和跨區域的數值模式聯合攻關團隊，逐步開展了區域數值模式的集中研發和協同攻關。區域數值預報業務基本形成了以國家級和華北、華東、華南區域氣象中心為骨干，加之其他5個區域氣象中心（東北、華中、西南、西北和新疆）的集約化發展格局。同時，通過數值預報云實現了國家級和華北、華東、華南的區域高分辨率數值預報產品的快速共享，為全國精細化氣象預報預警和氣象服務提供了有效的支撐。區域數值預報業務系統如表1所示。

2.3 我國區域數值模式核心技術進展情況

目前，國家級和華南區域氣象中心基于中國氣象局自主研發的GRAPES分別建立了全國和華南區域數值預報業務系統、快速循環同化預報系統和集合預報系統；西北區域氣象中心通過移植國家級的GRAPES-MESO建立了本區域的區域數值預報業務系統GRAPES_LZ；東北、華東、華中、新疆基于WRF建立了本區域數值預報業務系統和快速循環同化預報系統；西南區域氣象中心通過移植華東的SMB-WARMS系統建立了本區域的區域數值預報業務系統SWC-WARMS。國家級和8個區域中均發展了適合本區域的物理過程和同化技術，雷達、飛機報、衛星等非常規資料也越來越多地被應用于區域模式中。以華北、華東、華南區域氣象中心為代表的高分辨率區域數值預報核心技術發展迅速，模式分辨率和預報性能穩步提高。華北在天氣雷達和GPS/ZTD等稠密觀測資料同化技術的集成應用研發，華東在尺度自適應模式物理過程技術自主研發，華南在GRAPES區域模式動力框架、低緯度地區云降水物理方案的自主研發等方面取得了明顯的進展，形成了各具特色的高分辨率模式核心技術。區域數值預報業務系統同化資料類型如表2所示。

表1 區域數值預報業務系統一覽表

表2 區域數值預報業務系統同化資料類型

2.4 我國區域數值模式業務應用情況

區域數值模式對高頻次、稠密觀測資料的應用特點，使得其在災害性天氣短時臨近和精細化預報服務中發揮了重要的作用。目前，區域數值模式在全國氣象業務中應用廣泛，以區域高分辨率數值模式為基礎的預報技術和客觀方法為省級短時臨近預報預警、臺風暴雨等災害性天氣預報等無縫隙、精細化預報業務快速發展提供了關鍵技術支持，高分辨、高頻次的數值預報產品在重大社會活動氣象保障服務中發揮了越來越重要的作用，區域數值模式已成為省級預報業務平臺、業務系統、業務流程和業務技術客觀方法的有機組成部分。尤其是華北、華東、華南的區域高分辨率數值預報產品，在近年來全國1～3 km的無縫隙智能網格預報業務的快速發展方面起到了至關重要的推動作用[6]。

3 問題和挑戰

盡管區域模式的分辨率和預報水平不斷提升，但對于災害性強對流天氣過程的預報能力還有待提高，區域數值預報業務發展不均衡、不集約以及區域模式檢驗評估粗放等問題還比較突出，模式的人才隊伍和開放合作也有待加強。

3.1 區域數值預報業務技術水平相對發達國家還有差距

我國自主研發的GRAPES區域模式與國際主流區域模式相比還存在一定的差距，模式動力框架的精度不高、復雜地形的動力作用考慮不細致，物理過程不能適應更高分辨率以及資料同化水平不高等問題依舊存在；本地化改進的WRF模式在研發和應用上存在受制于人的情況，還沒有形成對全國短時臨近預報預警和無縫隙精細化氣象預報業務的支撐能力。

3.2 區域數值模式業務發展不均衡、不集約

華北、華東、華南區域中心數值預報業務開展得比較早，研發力量較強，其模式的技術水平、業務應用都比較好。由于西部地區的歷史原因和人才資源的限制，整體數值預報的發展水平不高，尚不能形成對區域內各省氣象預報業務的整體支持和指導，所發布的產品在區域內認可度不高，各省接收和應用區域數值預報產品的效率不盡人意。在區域模式的技術路線選擇方面，國家級、華南和西北區域中心選擇GRAPES模式，其他區域中心選擇WRF模式，依舊存在不集約的現象。

3.3 區域數值預報業務開放合作機制尚未建立

國家和區域中心兩級數值預報技術體系與研發組織體系尚不夠集約與協調。由于各單位模式研發改進的方向主要是針對本區域的業務需求，雖然各有側重，但任務較為分散，且任務之間的銜接不夠，研發成果難以實現跨區域共享。另外，國家級和區域級數值預報開放協作力度仍顯不足，國內外科研院所、高校對區域模式發展的參與仍然有限，國家氣象數值預報模式合力發展的格局和機制尚未形成。

3.4 數值預報整體隊伍體量偏小，高層次人才短缺

現階段，國家級和8個區域中心已經擁有數值預報專業隊伍，有了一定的技術研發能力。但總體上講，由于我國數值預報相應的高等教育弱化，造成數值預報后備人才嚴重不足，尤其是模式研發隊伍中高層次人才短缺，具有模式體系整體設計能力的高級專家更為缺乏，導致一些關鍵性的技術難題遲遲未能攻克，科技創新能力略顯不足。特別是西部省份，模式的發展僅僅停留在應用層面，無法對模式進行持續深入的改進和完善。

3.5 高性能計算能力不能完全滿足區域數值預報系統發展需求

近年來，區域高性能計算能力已經得到大幅度提升，但部分區域中心受計算能力的限制，導致快速同化更新系統和中尺度集合預報系統的升級延遲。受計算能力的限制，目前只能保證業務使用，還不能完全保障有關模式科學研究使用。海量數據與有限存儲空間和網絡速度的矛盾仍然存在。

4 發展建議和對策

4.1 注重創新驅動，加強技術攻關

面對未來氣象預報業務的發展需求，國際主流區域模式的水平分辨率和預報更新頻次將進一步提高，這其中涉及到許多前沿技術問題需要我們去認識和解決。要想加強對區域模式發展中科學問題的認識，在高精度模式動力框架、精細化物理過程、復雜地形處理、稠密資料同化等核心技術方面，要強化攻關力度，發展區域集合預報業務，牢固樹立業務應用為目標的發展思路，重點提升區域模式對暖區暴雨、颮線等強對流過程以及雨雪、冰雹等降水相態的預報能力，提高區域模式對智能網格預報、短時臨近預報、災害性天氣預報、環境氣象預報和重大活動氣象保障等業務服務的支撐能力。

4.2 加強頂層設計，強化科學管理

注重區域數值預報業務的頂層設計和統籌布局，進一步加強區域數值預報的集約化發展。另外，要充分發揮國家級和華北、華東和華南區域氣象中心的技術引領和研發組織作用，通過項目牽引和政策導向，在國家級華北、華東和華南組建跨區域、有特色的聯合研發平臺，積聚數值預報的優勢力量，共同參與區域模式的集中研發和重點攻關，實現研發成果的互惠共享；健全區域數值預報業務管理，明確區域數值預報的業務組織、業務流程、業務升級、運行保障等職責和任務；完善區域數值預報考評方法，建立以提升業務能力為導向的考評管理制度，有效引導和科學評價數值預報的研發和業務工作；在現有體制下，在高性能計算機資源、人力資源、經費等方面給予全方位的支持，為數值預報發展持續提供良好的環境和條件[5]。

4.3 堅持人才戰略，推動合作交流

穩定數值預報業務發展隊伍，引進并加強對數值預報專業人才的培養。國家級和華北、華東和華南區域氣象中心要依托區域數值預報聯合研發平臺，有計劃地選拔其他區域中心和相關省局數值預報青年骨干人才參與集中研發，凝聚和造就一批數值預報骨干隊伍。同時，效仿國外先進數值中心的經驗，吸引眾智，利用當前國家和部門在科技人才方面的新政策，建立雙方互利的合作機制，組織部門內外優勢力量和引導國際優勢資源，圍繞衛星資料同化、動力框架、物理過程、產品后處理、檢驗評估等的關鍵技術開展聯合攻關，推動區域數值預報業務穩定持續發展。

參考文獻：

［1］陳德匯，薛紀善.數值天氣預報業務模式現狀與展望［J］.氣象學報，2004，62（5）：623-633.

［2］章國材.美國WRF模式的進展和應用前景［J］.氣象，2004，30（12）：27-31.

［3］王曉君，馬浩.新一代中尺度預報模式（WRF）國內應用進展［J］.地球科學進展，2011（11）：1191-1199.

［4］閆之輝，王雨，朱國富.國家氣象中心業務數值預報發展的回顧與展望［J］.氣象，2010，36（7）：26-32.

［5］黃彬，閻麗鳳，楊超，等.我國海洋氣象數值預報業務發展與思考［J］.氣象科技進展，2014，4（3）：57-61.

［6］楊波，鄭永光，藍渝，等.國家級強對流天氣綜合業務支撐體系建設［J］.氣象，2017，43（7）：845-855.