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科学研究/科研计划
粤港澳大湾区气象监测预警预报中心(深圳气象创新研究院)科研规划
更新日期:2019-11-30 来源:粤港澳大湾区气象监测预警预报中心

一、综述

气象作为一门应用科学,其科研成果必须经过实时业务检验才能为国民经济的发展,社会安全保障提供服务。粤港澳大湾区气象监测预警预报中心和深圳气象创新研究院(以下简称预警中心和研究院)作为新兴的科研单位,在全新的科研体制和管理制度下,将预警中心和研究院未来的科研规划紧密地与实时预警预报业务结合起来,以进一步改进我国实时气象预警预报水平为目标,为解决科研与业务脱节的问题进行一次有意义的尝试。改变传统的以文章来衡量科研水平的考核方式,真正地把预警中心和研究院的科研人员形成一个高效的科研团队,针对业务需求展开攻关,把预警中心和研究院建成世界一流的气象研究中心。

在这样的科研体制和管理制度支持下,我们紧密地和深圳市气象局、广东省气象局和气科院业务系统对接,建立科研到业务的高效转化机制。找出我们目前在监测、预警、和预报上的差距和问题,制定短期,中期和长期科研规划,积极解决目前业务系统急需解决的业务问题,开展为实现中期目标所需的研发工作,布局未来长期的工作部署。同时积极开发应对市场需求的短临预警预报产品,为社会各个行业的气象需求提供服务。

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1. 依托对短临预警预报的改进产品,配合深圳和广东省局积极开发应用产品

 

各个目标的核心问题是:

1. 高质量的观测系统

2. 高水平的数据同化系统

3. 精准的数值预报模式

4. 良好的物理过程

5. 精细的路面过程

6. 灵活的软件系统

7. 高效的计算环境

目前影响业务预报预警精准性的因素里,同化分析的质量起了非常重要的作用。做好同化是业务系统的当务之急。而高水平的同化系统又依赖于精准的数值预报模式,无论是变分同化还是集合同化,或者是各种混合方法。从各国的业务系统表现来看,依赖于数值模式的伴随方程的混合4DVAR明显地胜出其他方法,至少没有一个好的伴随方程支持的同化系统,很难赶上和超过世界先进水平。美国各业务系统中的同化结果说明了这个问题。

尽管目前有很多4DVAR系统在使用,但是只有ECMWF和英国气象局的4DVAR体现出真正的效果。其他的4DVAR都没有成功,没有体现出4DVAR效果的主要原因是其他4DVAR系统里的伴随方程出了问题。很多业务4DVAR同化系统的伴随方程都是被当作黑盒子来处理的,同化的专家不知道动力框架里面的结构和机制。目前的网格模式还都不适合用来做伴随方程。做好一个伴随方程要比搭建一个好的动力框架要复杂。所以预警中心和研究院将搭建理想的数值预报模式,以及基于该模式的伴随方程模式定为终极目标,以期真正发挥混合4DVAR应该具有的作用和效果。围绕这个大方向,积极开展现有同化系统的研究工作,从改进现有同化系统入手,同时积极做好准备工作,为大方向发展积累条件。

· 短期目标(0-3年)

改进深圳市气象局的0-3业务预警预报系统

改进广东省气象局GRAPES业务系统预报

对比香港天文台的业务系统,从整体上考虑粤港澳的气象需要,提高总体的业务水平

· 中期目标(3-6年)

研究GRAPES/WRF的预报系统,确认进一步改进的方向

开发面向对象的同化预报计算机软件系统

研发与同化系统协调的预警预报系统

研发区域混合4DVAR系统支持预警预报的进一步升级

· 长期目标(6-9/10年)

研发满足更加适合全球和区域业务需要的动力框架以及伴随方程系统

提供灵活的全球-区域嵌套,独立区域模式系统和同化系统

在区域预报上改进GRAPES和WRF的预报效果

在全球中期预报上赶上国际先进水平,比如ECMWF和英国气象局

· 基于上面改进的预警预报系统,针对社会需求的短临预警产品开发

智慧城市气象产品,百米级的气象分析产品已经短临预警产品

航空气象的决策支持系统

新能源的气象决策系统

灾害性天气预警预报产品,等等

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2. 预警中心和研究院的发展目标

 

根据这些业务目标,组建一个有业务能力,科研能力,工程能力的业务中心,培养人才队伍,积极开展对外合作,为打造一流的气象科研单位打下坚实的基础。

二、短期目标

由于经济的高度发展,深圳和广东的气象观测网站和手段逐渐完善,其预警预报水平也不断的提高。但是随着经济的发展,对气象预警预报的精准性越来越高,实效性越来越严格。为了满足新的发展需求,对目前的业务系统进行分析研究,提出改进方案,实施和检验。

i. 目前的状况

深圳市气象局实时的0-3预警预报在目前的业务服务中已经发挥重要的作用,在降水大风的预警预报中效果显著(需要兰局长和同事的数据支持)。特别是在0-1小时短临预警中,机器学习的方法基本上满足业务需求。深圳市气象局对预警中心和研究院的明确要求是进一步提高1-3小时的预报。

广东省气象局的GRAPES预报系统目前在国内处于领先地位,但是在高密度高分辨率的同化方面还存在一些问题。广东省局的要求是针对这个问题开展研究工作,为广东省气象局的实时业务系统在高分辨率高精准的GRAPES预报上提供解决方案,并能在业务中发挥作用。

分析和研究香港天文台的业务系统,充分发挥其在业务化方面的优势,为提高粤港澳总体的气象业务水平制定发展方案,提高预报精准度,满足社会发展需求。

ii. 提出解决方案:

分析这些业务系统可能存在的问题,从观测质控到分析方法,展开研究。根据调研,我们考虑可以改进的方案有

i. 同化的控制变量:Xie and MacDonald 2011指出流函数和势函数不适合做中小尺度同化的理论(目前气象中心的同事已经在修改GRAPES-meso,初步实验表明有明显的效果)。我们可以直接应用。

ii. 多尺度同化技术:Xie et al. 2011给出了如何实现多重网格同化分析的方法。广东省局的重点实验室也在尝试。研究院可以与那里的同事合作。

iii. 多尺度观测分批集合同化(BatEA):是“973”项目和Grapes发展专项的最新研究成果,采用多网格、观测按尺度分批的算法,克服了背景误差协方差的“小尺度污染”、减少了计算资源的消耗,也提高了资料同化的分析质量;同时采用了集合成员的优选技术,克服坏样本对背景误差协方差和平均值的影响,使得集合样本更趋近于标准正态分布;实现了卫星、CINRAD雷达、风廓线雷达、飞机观测、下投探空等多源资料的融合利用,特别是构建了双线偏振雷达同化算子,实现了我国双偏振雷达资料的同化应用,有效地获取了水凝物的初始分析值。

iv. 时空多尺度同化系统(Space and Time Multiscale Analysis System, STMAS): NOAA自2000年开始开发STMAS系统。在美国的航空,各区域气象中心,台湾,西班牙,意大利实时业务运行。韩国气象局也准备通过预警中心和研究院将STMAS实时运行支持韩国的短临预警预报。

v. 物理约束:对各种高空观测数据的使用,需要引进适当的物理约束以改进分析效果,比如引进垂直风速和连续方程来改进雷达径向风同化

vi. 协方差矩阵:GRAPES同化没有ECWMF做初始场的效果好,很可能是大的形势场被破坏掉了,除了上面的多尺度同化技术会帮助改进,就是合理构造同化的协方差矩阵。通常的协方差局地化技术(Hamill et al. 2001)破坏了协方差矩阵的长波信息。研究并开发新的协方差矩阵算法,改进长波的分析。

iii. 任务

i. 首要任务在预警中心和研究院搭建深圳市和广东省气象局的实时业务系统,在实时运行中与市局省局的业务同行们积极展开研究

ii. 和市局和省局专家联合利用已有或搭建这些系统评估和检验平台,各方可以在此平台上就这些系统在业务服务中潜在的问题展开讨论。

iii. 和香港天文台合作,引进天文台的实时业务系统,以及检验和评估系统,发挥粤港澳的气象潜力和优势,共同改进升级。

iv. 形成一个联合的R2O(科研到业务,Research to Operation)的机制,预警中心和研究院的科研成果在自己的平台经过检验评估,给出实时业务的报告,能够灵活从科研平台转换到业务平台。

v. 根据上述解决方案,选择实施到业务系统去,分析效果。

iv. 团队

团队建设围绕这些具体任务的需求展开,同时通过国内外的科研单位合作,请进来走出去的方式,调动一切可以利用的资源,共同提高共同发展。按照任务需求,首先招聘或组织自己的科研力量,配合省市局的科研技术基础,确认针对任务所需的技术力量和科研短板,走出去调研,通过邀请和招标的形式,借助国内外的技术力量解决我们的科学问题。

v. 安排

计划半年内在预警中心和研究院搭建与省市局实时业务系统的孪生(twin)系统,同时考虑部署香港天文台的业务系统和实时的检验评估系统。

一年内搭建规范化的检验和评估体系,为粤港澳三地的业务系统认可,为下一步的进一步发展和升级做好准备。

2-3年内基于规范化的平台,针对粤港澳的业务系统进行评估,找出在业务服务中的问题和不足,开展研究工作,提出改进和解决方案,争取在三家的实时业务系统上有明显的改进。改进的技术指标,需要同各单位和部门协作联合制定。按照指标的具体规定给出定性的检验和评估方案。

vi. 需求

计算资源的需求:根据各业务系统的实施情况,特别是GRAPES 三公里和一公里的业务需求,评估预警中心和研究院的计算资源,给出具体的计算条件要求与依托单位合作解决:

要改进的GRAPES系统。 全国三公里的GRAPES-meso业务用4096核,积分36小时,间隔1小时输出,用时大约70-80分钟。总输出占用硬盘1T左右。这和广东省局的一公里GRAPES不相上下。按通常的计算资源的估算,我们需要4000核,每天6小时的运行 X 365 天(约2200小时/年)。存储1000TB的硬盘。

 

单位之间的协调:

ü 将各单位的业务系统布局到预警中心和研究院,需要有专门的对接部门和人员。

ü 建立检验评估体系更需要协调各单位的业务人员提出标准和共识。

ü 对预警中心和研究院提出的改进方案如何应用到各部门的业务系统中去,需要业务上的协调

三、中期目标

基于各单位的业务系统,展开预警预报系统的研究,定标在国际上领先的区域预报和同化系统的水平上,制定改进和超过区域预报水平的科研计划。同时为预警中心和研究院的长期发展做好准备工作。

(一)软件系统

目前国内外气象的业务系统的软件支持还处于传统的计算机软件环境中,从观测数据采集,质控,数据同化,数值天气预报,到预报产品生产和处理,这些软件系统都存在这样和那样的系统问题,不利于系统的维护,升级和改造。远远不能适应社会对气象预报的要求。现代的计算机软件系统的长足进步,已经将这些软件问题解决了。气象行业面临着如何应用这些先进的软件技术对气象系统进行改造和升级,以适应气象行业的飞速发展,特别是新一代的观测数据不断的加入气象服务的应用里来。

开发以面向对象为基础的气象系统的软件环境设计和支持系统,逐渐成为气象行业的趋势。ECMWF的Object-Oriented Prediction System已经实现了面向对象的业务系统,美国的卫星同化联合中心,NCAR和NOAA也在开发面向对象的同化系统。但是目前来看,还都属于尝试性的。在应用中会遇到一些问题。

我们需要借鉴他们系统开发中的经验和问题,利用现代Fortran语言的新功能,开发我们自己的资料处理,数据同化和数值预报软件系统。为预警中心和研究院的可持续发展提供软件环境和支持。

(二)观测系统

深圳市和广东省拥有丰富的观测资源,尽管很多数据已经被业务系统使用,但是还有很多可以使用的观测数据没有发挥它们在业务系统中的作用,比如雷达经向风,GPS和大量的卫星红外数据等等。充分发挥这些数据的作用,需要投入科研力量,研究数据的质量控制,观测算子,观测伴随算子。为这些数据在业务中的应用提供技术支持。由于工作的繁琐和成果的评估不够重视,这方面的科研投入一直是国内外气象行业的弱点。预警中心和研究院要根据业务需求,制定工作计划,落实团队和政策,确保观测团队的工作顺利进行。为我们的中期发展目标提供丰富的观测资源。

(三)同化系统

目前的同化系统,大多数还是以中长期预报需求而发展的算法,不满足目前社会经济发展对中小尺度气象业务的需要。不论是从同化系统的变量选取到多尺度同化分析,都还有很大提升空间。在对目前的同化系统进行严格的论证基础上,提出中期同化系统的规划:

a. 在面向对象的软件环境下,开发完整变分和集合同化算法库,灵活地应用这些同化方法到不同的应用场景中去。

b. 开发适用于变分同化的预报框架。根据我们的研究发现,变分同化系统的预报模式起着非常重要的作用。由于区域模式在中小尺度中应用的需要,相应的同化所需的伴随方程存在一定的问题,这是除欧洲中心和英国气象局的4DVAR以外,没有其他成功4DVAR的主要原因。如何开发一个只用于中小尺度4DVAR同化系统的数值预报模式是同化的关键问题。为此,我们将展开调研和开发工作,研发更加适用于4DVAR的数值预报模式。

c. 开展云分析的同化工作。目前国际上的云分析系统,基本上是基于客观分析的方法进行的。由于大量的卫星红外观测缺少穿透云的能力,辐射传输模式还没有有效的云分析能力。如何利用多元观测手段,有效地解决云同化是未来解决短临预警预报的核心问题。我们联合NOAA和卫星公司的同行,在讨论制定新一代云同化的研发计划。希望我们能在云分析的基础上,提出下一代的云同化系统以支持预警预报的业务需求

d. 微物理过程的模拟是未来同化发展和云同化有待解决的一个关键问题。云物理的参数化方案,直接影响强影响天气过程的同化和预报精准性。由于微物理过程的复杂性,精准地描述其过程是非常困难的。对像这样不确定性的过程,我们计划充分发挥机器学习的能力,把各个微物理过程综合起来,训练神经网络系统,期望得到一个更加合理,更加适用业务需求的物理过程,从而提高我们的预警预报精准性。

(四)预报系统

在实时的业务应用中,我们开始总结和研究目前国内外预报模式系统中存在的一些问题。无论是从框架设计,算法实施到软件工程,都会发现和经济发展所需的高精准高分辨率的预警预报产品有一些差距。预警中心和研究院的发展要研究这些模式的问题和差距,对已有系统进行改造和升级。当遇到核心问题时,考虑搭建新一代的短临预警预报模式。

vii. WRF预报系统的问题:垂直坐标对强对流天气不太适合,对航空需要的垂直风切变,颠簸指数等的预报有比较大的差距。

viii. GRAPES模式的水汽动力框架,计算方法还有很多可以改进的空间。

ix. WRF和GRAPES模式都是基于C-网格框架搭建的数值预报模式,在强对流所需要的垂直方向高分辨率的预报有很高的水平分辨率要求。

根据这些问题,展开未来预警中心和研究院自己的动力框架。同时考虑其在同化系统中的应用,保证相应的4DVAR系统有一个理想的伴随方程模式。

四、长期目标

根据国家战略发展需求,发展适用于非静力基于准均匀网格的全球,全球-区域嵌套,独立区域预报,同化的业务系统是未来的发展方向。有针对性地制定长期发展规划,努力将预警中心和研究院提高到国际气象业务发展的先进水平。研发从短临到中长期的无缝隙同化和数值预报系统以满足未来的国民经济的迅速发展。基于中期目标的各个系统,制定可持续发展的远大目标。从科研体制和科研成果上吸引国内外的精英加盟,形成顶级的适用于业务发展的科研队伍。

a. 动力框架

实时气象业务系统需要新一代满足精度、稳定、频散、适合伴随方程生成的动力框架

b. 同化系统

选择适当的动力框架做伴随方程,具有同化各种观测数据能力的,和集合预报和同化有机结合的混合4DVAR系统

c. 物理过程和路面过程

积极引进和开展合作,选择与预报和同化尺度相宜的物理过程

d. 海气耦合

依托国内外合作,开发与气象模式网格对接的海洋数值预报模式

e. 高性能计算

通过广东省和深圳市气象局,搭建和利用广泛的计算资源。充分发挥气象预警预报在国民经济中应有的作用。