十年磨一剑！刚刚业务化的它为天气预报带来新助力
GRAPES全球四维变分同化系统（GRAPES-4DVAR）正式投入业务化运行两个多月以来，在中短期天气预报应用方面展现出较大的进步。
就在今年汛期，第8 号台风“ 玛莉亚”以14 级风力登陆福建，成为1949 年以来7月登陆福建的最强台风；第10 号台风“ 安比”正面登陆上海，多年来少有…… 为更好地捕捉台风路径和风雨影响，GRAPES-4DVAR 与风云四号卫星展开“天地互动”。该卫星红外高光谱探测仪GIIRS，执行台风目标区观测任务，探测数据1 分钟内进入GRAPES-4DVAR，改善了强度、路径的分析和预报。
图片来源：中国气象局数值预报中心
与此前同化系统相比，四维变分同化系统“包容力”更强，使用观测资料总量较三维变分同化系统增加了50%左右。“作为世界上少数几个四维变分业务化系统之一，GRAPES-4DVAR 为更有效同化更多高时间频次的常规资料和各类卫星资料，提供了一个很好的基础平台。”中国气象局数值预报中心（以下简称数值预报中心）模式研发室副主任韩威说。
十年打磨之路
为何要研发GRAPES-4DVAR？ 数值预报中心副研究员张林表示，这是该中心成立之初的目标，也是十年来一直努力的方向。
图片来源：中国气象局数值预报中心
该中心从2008 年开始启动GRAPES-4DVAR 的研发工作。首先是研发GRAPES全球三维变分同化系统，同时与中国人民解放军国防科技大学计算机学院合作研发GRAPES 全球切线性模式和伴随模式的动力框架。基于这两个重要的工作基础，2010 年底，数值预报中心成功建立了GRAPES-4DVAR 第一个串行版本。
但是，由于计算量巨大，11天半才能完成一次水平分辨率为1°×1°的全球四维变分同化系统分析，几乎无法进行后续的研发工作，而且北半球分析效果比三维变分同化系统的分析还差。
在随后几年里，改进全球变分同化框架，成为GRAPES-4DVAR 研发团队的工作重点。2013 年，数值预报中心基于当时最新版本的GRAPES 全球预报模式，重新设计了GRAPES 全球切线性和伴随模式，同时针对核心模块进行了大量优化工作，显著提高了全球伴随模式的计算效率。
2014 年底，数值预报中心完成了GRAPES-4DVAR 的并行化工作，从此以后，该系统的研发工作进入快速推进阶段。
2017 年，数值预报中心确定了GRAPES-4DVAR 业务化版本和运行方案，开始进行一年的回算试验，证实了GRAPES 全球四维变分对分析质量和预报水平的贡献。
2018 年，GRAPES-4DVAR在“派-曙光”高性能计算机平台上开始进行业务平行试验，并于汛期正式进入业务化运行。
软硬皆有进阶
GRAPES-4DVAR 包含GRAPES 非静力全可压全球切线性模式和伴随模式、较完备的线性化物理过程、全球四维变分系统并行算法及全球四维变分观测资料部分等资料同化核心技术。在这些核心技术中，GRAPES 非静力全可压全球切线性模式和伴随模式是最大的创新。
“由于欧洲中期数值预报中心、日本气象厅等的数值预报起步较早，他们研发的模式大多是静力的，并在此基础上研发全可压全球切线性模式和伴随模式。但我国起步较晚，GRAPES 预报模式又是非静力的，因此，我们在研发时选择的是非静力全可压全球切线性模式和伴随模式。”张林说。由于分析框架是静力的，预报模式是非静力的，伴随而来的便是在应用中出现一些技术细节上的新问题——静力和非静力的接口如何能衔接得更好，经过较长时间的大量试验、反复调试，研发团队找到了解决方案。
GRAPES-4DVAR 可有效同化高时间频次的常规资料以及微波温度计AMSUA、FY-3C 微波湿度计、高光谱大气红外探测器AIRS、卫星云导风、洋面散射风等卫星资料。资料的大幅增加，对业务系统和计算机的计算量、内存需求量也随之提高。
“在系统一年（2016 年6 月至2017 年5月）的回算试验中，光是数据量一项就达到100 多T。”张林介绍。庞大的数据量对计算机提出了严格的要求，我国自主研发的国产高性能计算机“派-曙光”较以前使用的高性能计算机在计算速度上提高了一倍以上，良好的硬件条件是GRAPES-4DVAR 能从研发实现业务化运行过程中一股不可或缺的力量，并且，该系统也是在“派-曙光”上业务化运行的第一个系统。
汛期锋芒初试
“好马要配好鞍”，韩威说：“GRAPES-4DVAR的发展让风云四号卫星的高时空、高光谱分辨率数据得到更好应用，两者强强联手开启了一种创新性的方法。”
面对今年汛期异常复杂的天气气候，GRAPES-4DVAR为台风路径、强降雨、大风预报等提供了重要支撑，成为服务汛期的“新主力”。运行结果显示，该系统提高了雨带和大量级降水预报的稳定性和准确度，台风路径预报误差减小约15%左右。
业务运行仅两个多月，GRAPES-4DVAR便大显身手。“台上一分钟，台下十年功”，在取得较好成效的背后，是科研工作者十年的努力—— 从2008 年2018 年，研发团队从零起步，一个模块一个模块，从设计到实现，终于取得里程碑性的成果，推动了我国全球数据同化水平迈上新的台阶。
跻身主流行列
当前，欧洲中期数值预报中心（ECMWF）和英国、法国、加拿大、日本、澳大利亚等五个发达国家气象部门已建立气象资料四维变分同化业务系统。我国作为新建立该业务系统的国家，进入资料同化技术主流行列，从而迈上了更高资料同化开发平台。“进入更高技术平台后利于我国与国际同行开展科学技术交流。”张林说。
在已建立气象资料四维变分同化系统的队列当中，欧洲中期数值预报中心关于四维变分同化系统的分辨率已达到9 公里和50 公里（外循环和内循环），时间窗长度达到12 小时。而我国GRAPES-4DVAR的分辨率为25 公里和100 公里（外循环和内循环），同化时间窗为6 小时。相比之下，目前GRAPES-4DVAR 在分辨率等方面还有非常大的进步空间。
“如果把四维变分同化系统比作人体的四肢，那么目前已具备基础的功能，但关节的灵活性、敏捷度等还有待提升。未来，要推动观测资料的使用，尤其是卫星资料。有更多的资料进来，才能更好地发挥它的优势，丰富其科技内涵。”张林表示。
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中国气象报社 出品
作者：中国气象报全媒体记者 叶珊杉 王玫珏
微信编辑：张娟
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