全球數據處理和預報系統發展及展望

王毅 周慶亮 代刊 張曉美 劉向文

（1 國家氣象中心，北京 100081；2 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081；3 國家氣候中心，北京 100081）

0 引言

準確的天氣、氣候、水和環境信息不僅對于人類抵御自然災害具有重要作用，也對保障日常社會經濟活動的高效和安全以及社會可持續發展的科學決策具有重要意義。1963年，世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）推出了在全球范圍內開展規范、收集、分析、加工和分發天氣、氣候和其他環境信息的一項核心計劃——世界天氣監視網（World Weather Watch，WWW）計劃。它由全球觀測系統（Global Observing System，GOS）、全球通信系統（Global Telecommunication System，GTS）和全球數據處理和預報系統（Global Data-Processing and Forecasting System，GDPFS）組成。

近年來，得益于觀測技術、電子通信和計算系統的進步，WMO先后發展了WMO信息系統（WMO Information System，WIS）[1]和WMO綜合觀測系統（WMO Integrated Global Observing System，WIGOS）[2]，將WWW計劃中的GOS和GTS進行了拓展和升級，逐步實現了全球天氣、水、氣候及環境等信息的綜合觀測、實時收集、高效分發和數據共享。全球、區域業務數值預報模式的快速發展為GDPFS構建從全球到區域到國家層面的級聯業務體系奠定了基礎[3]，并為其他專業化服務提供支撐。20世紀90年代初期，業務集合預報系統的出現促進了傳統單一預報向包含不確定性信息的概率預報發展[4]。基于發達國家的數值預報模式和集合預報系統，WMO“災害性天氣示范項目”（Severe Weather Forecasting Demonstration Project，SWFDP）將全球和區域的高質量預報信息進行加工，為非洲等發展中國家及時發布本國的高影響天氣預警提供了有效支持[5]。

當今社會全球化、信息化和網絡化加速發展，各個領域的用戶需求日益多樣化，氣象研究越來越傾向于將地球系統作為一個整體來考慮[6]，基于影響的預報和基于風險的預警漸成趨勢[7]，私營部門的氣象預報和服務迅速發展，這些都促使GDPFS需要適應時代發展的要求進行調整和演進。2015年，WMO第十七次世界氣象大會提出了“綜合無縫隙GDPFS”的發展方向，即構建從分鐘到年代際，從局地到全球的全覆蓋、無縫隙全球數據處理和預報系統。本文將介紹GDPFS的發展現狀和面臨的主要挑戰，并重點探討和展望無縫隙GDPFS的未來發展。

1 GDPF?S發展現狀概述

經過半個多世紀的發展，GDPFS已發展成為在不同層面、不同專業領域向WMO成員提供天氣、水、氣候、環境等分析和預報產品的業務系統。GDPFS通過全球、區域、國家三級業務中心構成級聯業務體系（圖1），包括世界氣象中心、區域專業氣象中心和國家級氣象中心，主要提供天氣預報、氣候預測以及相關專業產品，例如，臺風預報產品、沙塵暴預報產品、核應急響應產品以及空間天氣預報產品等。

圖1 全球數據處理和預報系統體系示意圖Fig. 1 Structure of Global Data-Processing and Forecasting System

截至2018年8月，WMO認定的GDPFS中心包括：1）9個世界氣象中心；2）25個基于地理概念的區域專業氣象中心，23個基本活動區域氣象中心和19個專業活動區域氣象中心；3）13個全球長期預報中心；4）11個區域氣候中心；5）5個非實時業務牽頭協調中心：長期預報檢驗中心，多模式集合預報中心，確定性數值天氣預報檢驗中心；集合預報檢驗中心和年-年代際氣候預測中心。各個GDPFS中心的分布如圖2所示。2017年，WMO執行理事會第69次界會批準了新的《全球資料處理和預報系統手冊》[8]。作為規范WMO會員開展業務活動技術規則的唯一指南，新手冊規定了GDPFS各類中心的認定條件，主要職責和業務活動。

圖2 WMO認定的全球數據處理和預報系統中心Fig. 2 WMO designated GDPFS centers

GDPFS中心的主要業務包括臨近預報，全球/區域數值天氣預報，全球/區域集合預報，季節和氣候預測、海浪及風暴潮數值預報等。這些業務活動都離不開數值預報模式這一核心工具。隨著觀測（特別是雷達和衛星）能力的提高，資料同化技術的發展，計算能力的加強和模式物理過程的改善，1～10 d的中、短期天氣預報的準確率近幾十年穩步提升，精細化程度不斷提高。領先的全球數值天氣模式大約每10年延長可用預報時效1 d左右[9]。表1簡要列出了GDPFS世界氣象中心的主要確定性全球數值天氣預報模式的信息。可以看出，模式的最長預報時效可達10～16 d。ECMWF模式的分辨率最高，水平分辨率為9 km，垂直層數達137層。

表1 世界氣象中心主要確定性全球數值天氣預報系統Table 1 Main deterministic global NWP systems of WMCs

對于月以上到2年時間尺度的長期預報，全球氣候模式是目前GDPFS長期預報中心的主要工具。在海氣耦合動力模式基礎上，多圈層耦合的高分辨率氣候系統模式已成為發展趨勢。目前全球氣候模式對ENSO的可預報時效在6個月以上，對次季節預報主要信號——大氣季節內振蕩（MJO）的可預報時效超過兩周[10]。

為解決不確定性問題而提出的集合預報，隨著幾十年的實踐已被實際業務所接受[11]。集合預報系統已成為各國數值預報中心業務系統的重要組成部分，包括全球集合預報、區域集合預報和對流尺度集合預報。集合預報不僅可以提高長時效預報的穩定性，而且對極端天氣的早期預警起到重要作用[12]。

2 面臨的挑戰

過去幾十年，GDPFS已在全球范圍內建立起一套向WMO各成員提供天氣、水、氣候、環境等產品的有效機制，并通過級聯預報體系向發展中國家會員提供支持。然而，社會各界（航空、海事、農業、能源、衛生等）對氣象信息的需求愈加精細化、個性化和專業化，目前GDPFS中心的產品還未能完全滿足社會經濟各部門的新需求；一些國家氣象水文部門獲取和利用GDPFS中心產品的能力存在差距；臨近預報和次季節-季節預報能力還需要提高；發展影響預報和風險預警產品的非傳統氣象數據還非常欠缺；GDPFS中心提供數據和信息的標準需要進一步統一，并且缺乏友好的通用平臺方便用戶高效地獲取GDPFS的數據。

另一方面，進入21世紀以后，新一輪科技革命和產業變革正在興起。從云計算、人工智能的發展，機器學習技術、物聯網的創新到星載平臺（公共衛星和商業衛星）數據的爆炸式增長，包括社會新媒體信息傳播、獲取方式的轉變，這些都是改變天氣、氣候、水和環境等信息收集、制作和分發傳統“游戲規則”的元素。此外，一些私營部門和科研機構也在積極發展相關預報和服務產品。例如，美國天氣預報公司AccuWeather一直與Google公司合作，利用云計算和機器學習技術發展逐小時和逐天精細預報[13]。因此，用戶需求、技術創新和外部競爭這三大因素對GDPFS繼續發揮WMO核心業務系統的作用提出了挑戰，同時也帶來了新的機遇。

3 無縫隙預報

為了應對眾多挑戰和滿足未來需求，GDPFS在WMO框架下的發展和演進是當務之急，勢在必行。發展無縫隙預報是WMO及各國氣象部門的一大共識。首次世界天氣開放科學大會（WWOSC-2014）的主題就是“地球系統無縫隙預報：從分鐘到月”[14]。2017年地球系統科學家學會（YESS）聯合世界氣候研究計劃（WCRP）、世界天氣研究計劃（WWRP）和全球大氣觀察計劃（GAW）創建的地球系統科學前沿白皮書[15]，更是將無縫隙預報作為未來幾十年科學界指導方針的重要指標，提出從分鐘級到世紀尺度、從米到全球空間尺度的預報發展趨勢。實際上，無縫隙預報不僅僅意味著打破天氣和氣候預測的界限，而是在天氣、水、氣候、環境等領域各個維度上的無縫隙，概括起來體現為三個方面。

3.1 時空尺度無縫隙

月際-季節預報是天氣預報和氣候預測之間的橋梁，是構建無縫隙預報系統的一個關鍵部分。2013年，WMO世界氣候研究計劃（WCRP）、世界天氣研究計劃（WWRP）聯合全球觀測系統研究與可預報性試驗（THORPEX）發起了次季節-季節（Sub-Seasonal-to-Seasonal，S2S）預測計劃。該計劃建設的S2S數據庫匯集了來自全球11個業務預報中心制作的次季節預報產品（預報時效長達60 d），包括近實時集合預報和集合再預報[16]。

數值預報模式可以實時生成大氣狀態的三維網格預報，為無縫隙網格預報提供了技術前提。中國氣象局自主研發的全球區域一體化同化預報系統GRAPES，經過十幾年的努力，在動力框架、物理過程和變分同化技術等方面均取得顯著進展[17-18]，并且建立了體系完善的全球預報模式、區域中尺度預報模式和集合預報模式系統（表2）。

表2 GRAPES數值天氣預報體系Table 2 GRAPES numerical weather forecast systems

英國氣象局發展的統一模式（Unified Model，UM）[17]基于相同的模式框架構建了無縫隙預報體系，含1.5 km的區域對流尺度模式，幾十千米的氣候模式及上百千米的地球系統模式（圖3）。

3.2 學科融合無縫隙

圖3 英國氣象局統一模式無縫隙預報體系Fig. 3 Unified Model seamless modeling hierarchy at the Met Office

WMO的S2S計劃使得天氣和氣候研究更加緊密地結合并且相互促進。另外，科學研究越來越傾向于將地球系統作為一個整體來考慮。地球作為一個由多時、空尺度過程構成的復雜巨系統，其涉及的學科領域非常廣泛，不僅涵蓋地球科學各領域，而且與計算科學密切相關[18]。相關專業領域的預報服務也需要氣象與水文、海洋、海浪和風暴潮、空氣質量和沙塵暴、自然資源、能源、旅游、交通等學科的融合，并且一直延伸到整個價值鏈上，包括觀測網絡、數值模式、預報制作、專業產品、信息發布、解釋應用和用戶的決策。

3.3 影響預報無縫隙

每年全球氣象災害的影響都會造成大量傷亡，對財產和基礎設施造成極大損害。盡管相關國家氣象水文部門已做出了準確的預報和預警，但與民防和應急管理部門及民眾對災害的潛在影響認識之間存在脫節。例如，2013年超強臺風海燕造成菲律賓超過5000人的傷亡，一大原因是民眾對風暴潮的影響認識不足[19]。為了填補這一縫隙，需要發展基于影響的預報和基于風險的預警，開展氣象災害風險評估業務[20]。

4 無縫隙GDPFS發展展望

在2016年召開的WMO執行理事會第68次界會上，提出了未來無縫隙GDPFS的愿景[21]：GDPFS將成為一個更加高效和適應性強的業務中心體系，促進WMO會員和合作伙伴幫助用戶做出更明智的決策；GDPFS將通過伙伴關系和協作提供基于影響的預報和基于風險的預警；通過以低成本高效益、及時和靈活的方式共享天氣、水、氣候和相關環境資料及產品來實現這一目的，并惠及所有WMO會員，進一步縮小發達國家會員和發展中國家會員的能力差距。面向無縫隙GDPFS的長遠目標，迎接時代發展帶來的挑戰，未來GDPFS的發展主要包括以下幾個方面。

1）滾動評估用戶需求。為了能夠滿足社會各部門行業的需求，增加用戶對無縫隙預報的理解和認同，首先需要開展滾動評估（Rolling Review of Requirements，RRR）活動。滾動評估可以通過收集、更新用戶需求，與現有和計劃中的業務系統進行對比，分析評估在哪些領域還存在空白和差距，為GDPFS確立優先重點領域提供指導。

2）科技引領業務發展。開展以滿足用戶需求和應用服務為目的的科學研究，加強地球系統多圈層、跨學科的合作研究。利用WIS和WIGOS的先進技術，引入人工智能等創新技術，協調與伙伴組織和私營部門的合作，進而在無縫隙背景下改進所有時間尺度上的預報能力。

3）建立質量管理框架。通過質量管理（QM）框架建立定期評價機制，確保GDPFS業務中心的能力達到WMO的要求并繼續提升。面對來自私營部門預報服務的競爭，加強對GDPFS提供的天氣、水、氣候和環境等相關產品的檢驗，保證信息和服務的高質量、可靠性和一致性，滿足用戶新的和不斷變化的需求。

4） 提升無縫隙預報效益。拓展GDPFS的級聯預報體系的全球覆蓋率，加強天氣、氣候、海洋等預報系統的整合，增加互操作性。開發通用平臺促進用戶便捷地獲取無縫隙預報信息和產品。將影響數據（如暴露度和脆弱性）、社會經濟、地理等信息納入GDPFS，不僅提高預報的準確性，而且還應該考慮將預報不確定性信息有效傳達給用戶，不是簡單地提供“最佳預報”，而是支持用戶做出“最佳決定”。

5 結論

過去幾十年，GDPFS作為WMO框架下的核心業務系統，協同WIGOS和WIS為WMO成員提供天氣、水、氣候、環境等信息和預報產品，為防災減災和可持續發展做出了突出的貢獻。

為了應對來自用戶需求、技術創新和外部環境帶來的挑戰，未來GDPFS將朝著“綜合無縫隙GDPFS”的方向發展，即構建從分鐘到年代際，從局地到全球的無縫隙全球數據處理和預報系統。可以預見，無縫隙GDPFS的發展和實施將對WMO成員國和社會各個領域帶來巨大益處和廣泛的影響，主要體現在：1）更高質量的天氣、水、氣候、環境等信息和產品可以促進用戶做出更明智的決策，降低各種災害風險及其潛在影響；2）促使國家氣象水文部門能夠以更加集約的方式高效地獲取分析和預報信息，有利于為終端用戶服務增加附加值；3）為WMO成員提供應用大數據信息的工具和技術，提升國家氣象水文部門的日常業務的自動化和智能化水平；4）促進觀測新技術、科學研究新成果向業務和服務端的轉化，以滿足用戶的各種需求。