隐于幕后 丈量乾坤 ——我国数值预报系统研发升级工作掠影

  8月28日晚,在江苏南京奥林匹克中心体育场,第二届夏季青年奥林匹克运动会落下帷幕,各项气象保障服务工作圆满“收官”,精准的预报和贴心的服务给公众留下深刻的印象。天气预报为何如此精准?除了预报服务一线工作人员的辛勤付出,还要归功于“幕后英雄”的大力支持。

  在这届青年奥林匹克运动会气象保障服务中,我国自主研发的T639全球模式集合预报系统(简称T639)和GRAPES_MESO V4.0等一系列数值预报系统发挥了重要作用。今年,中国气象局数值预报中心刚刚完成多项业务系统技术升级,相关数值预报系统性能得到明显提升。

  自主研发“十年磨剑”

  数值预报是把观测到的气象数据放入有关天气演变过程的流体力学和热力学方程组,通过大型计算机的运算,以其运算结果来预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象。

  数值预报中心总工程师陈德辉说,尽管目前国外的一些数值系统性能上更先进,但这些数值系统对我国的复杂地形条件考虑不足;单靠引进,我国难以真正掌握数值预报核心技术;购买产品的有限数据也不足以对天气系统展开深入诊断和分析。因此,中国气象人有了自己的数值预报系统,才算真正挺起腰杆。

  2004年,GRAPES_MESO系统初步实现准业务运行,这是我国自主研发的第一代非静力中尺度数值预报系统,当时,系统水平分辨率为60公里、垂直31层。今年7月,GRAPES_MESO V4.0版本投入业务运行和应用。与之前版本相比,该版本有多方面技术改进,水平和垂直分辨率达到了10公里和50层。

  “数值预报系统其实就是一组巨大而复杂的运算公式,结果是否正确,取决于两个方面:公式本身是否科学合理,投入公式的数据是否精确完整。”数值预报中心系统业务室副主任胡江凯说。

  据了解,GRAPES_MESO V4.0版本第一次具有了同化非常规观测资料的业务能力,可以实时同化遥感数据、天气雷达资料以及包括“风云”气象卫星在内多个卫星的云导风资料等。这一改进就是为了让巨大、复杂的“运算公式”获得更丰富、全面、详尽、准确的“运算数据”。同时,新版本的“运算公式”也更为精确。然而,想要“校准”一个“公式”,往往需要长期、反复代入数据进行验算、测试,工作量极为繁重。

  推陈出新集约式前进

  2014年,我国数值预报系统的另一重大升级,是T639的优化升级,并全面替代“古老”的T213系统在整个数值预报业务链条中承担的各项功能。

  彻底终结T213的“历史使命”也遭遇过一些困难。“自2008年T639系统问世以来,T639与T213同时存在,为预报员所使用。从性能上看,T639无疑优于T213,可在当时,不少专业数值预报系统研发是基于T213之上的,新旧替换涉及很多复杂的软件工程环节和工作协调;有些预报员也更习惯使用T213。”胡江凯说,“但如果两个系统长期同时运行,一是不利于新技术的推广应用、发挥应有效益;二是耗费计算机资源和大量后台维护人力资源。所以,近两年,我们下决心解决这个难题。”

  今年,数值预报中心正式停止发布T213产品并终止系统维护。胡江凯说:“就好比是微软停止维护Windows XP,在科技进步的大势中,这是无可逆转的。”这次T639优化升级,除一些技术得到改进外,如集合预报中引入模式随机扰动技术,还首次实现了全球集合预报与台风集合预报系统和流程的一体化,节省了计算资源和系统维护代价。同时,T639的确在性能上具备明显优势,得到预报员的广泛认可。

  中央气象台高级工程师代刊告诉记者,T639集合预报的业务应用表明,其预报时效延长(达到360小时),弥补了T213在10天至15天时段的缺失,有效支撑了延伸期预报业务的开展。同时,我们发现T639对典型降雨系统的演变发展有较好的刻画能力。以今年5月华南强降雨过程为例,在短期预报业务中,T639产品较T213产品在降雨落区和量级预报效果上都有明显的改进,稳定性也有所提升。

  面向需求提供优质支撑

  7月18日至19日,今年第9号台风“威马逊”(超强台风级)先后三次登陆我国,其中,“威马逊”登陆海南文昌、广东徐闻时达到超强台风级别,它也成为1973年以来登陆华南的最强台风。针对台风“威马逊”,气象部门给出的台风登陆地点、时间、强度等预报都非常精确,这为各地科学开展防御台风灾害工作提供了重要依据。而在这次预报服务工作中,我国研发的GRAPES_TYM系统交出了不错的“答卷”。

  GRAPES_TYM是主要针对台风预报的数值系统。自2012年7月投入准业务运行以来,通过对算式的不断修正、优化,大幅提高了系统对台风路径和强度的预报性能。2014年5月,数值预报中心实现了GRAPES_TYM系统自业务运行以来的第一次升级,预报时效由3天提高到5天。

  “中国气象局台风与海洋气象预报中心自2012年开始关注GRAPES_TYM模式的台风路径和强度预报结果,并在业务预报中尝试应用这些结果和相关产品。在这一过程中,模式开发人员根据预报员提出的意见对相关产品进行了及时的调整,以方便业务应用。”台风与海洋气象预报中心首席预报员张玲说:“在2013年和2014台风季节,GRAPES_TYM区域模式台风预报系统运行稳定,可以及时为预报员提供丰富的参考产品,能够满足预报员对数值预报产品的需求。我们对2013年中、日、美三家主观强度预报的检验显示,在120小时内所有时效的台风强度预报,我国的预报误差均为最小,在这方面,GRAPES_TYM为业务预报提供了较好的技术支撑。”

  身处幕后成就大音希声

  尽管身处“幕后”,尽管外界知晓不多,缺少那些“彻夜坚守”的感人故事,但是,这些数值预报系统研发人员正在攀登气象科学高峰的道路上默默前行。

  “近些年,我们的数值预报进步较大、研发能力得到提升,我们拿出的数值预报产品更加丰富,也更有特点。但与国际最先进的那些数值预报技术和系统相比,我们的确还存在明显差距和面临严峻挑战。我们别无选择,只能义无反顾努力追赶。”国家气象中心副主任、数值预报中心主任王建捷如是说。

  她告诉记者,数值预报系统性能的好坏、系统研发能力的高低,已经成为决定气象现代化水平的关键,中国气象局对此非常重视,正在不断优化和营造有利于加快数值预报发展的内外环境。

  记者了解到,数值预报中心将继续围绕重点任务,开展技术攻关。2015年,GRAPES全球模式系统有望实现业务化。为了实现这一目标,除了付出汗水,数值预报中心团队也在加强对外合作和人才培养方面努力。在这条远离繁华纷扰却并不平坦的道路上,他们走得那样坚定、执着。

解决 方案

      防雷安全监管检测平台是一套集定期检测与逐日提醒及实时监管为一体的市级综合管理系统平台。软件人性化设计,操作简便;检测记录可批量导入导出,方便批次检测;检测记录可按单位自由选择若干单体检测;即可单独上传单体附后,也可统一上传公共资料,省时省力;实时通过多种颜色区分检测状态,让检测明了;实时了解检测提醒,及时掌握动态,轻松监管;多种监管方式处理、查阅;监管记录、监管日报、月度台账,全面掌控。

      强天气监测预警快报系统,是一套依托历史数据、自动站、雷达、卫星及各种地面传感检测仪器实时传送的数据为底层载体,通过数据抽取、实时转换、资源整合、大数据分析、科学算法,由系统智能触发气象要素,以分秒级的运算速度自动快捷生成,实时、正确、方便的通过互联网+平台及短信等方式快速传播,为减灾、防灾、决策提供第一手资料,从而为避灾起到关键性作用。
      系统特色: 全自动,无须人工,自动生成;模板库,满足个性化需求;高可靠性,免日常维护;短信推送,及时掌握动态;一键获取,简单实用;十大功能,涵盖全年四季; 信息合成,数据、地图、曲线等批量叠加;报表统计,满足管理部门复杂需求;简洁界面,美观大方图片生成,方便保存。
      十大功能:低能见度通报;高温简报;低温快报;冷空气简报;大风快报;台风快报;暴雨快报;雷电快报;强对流快报;雨情通报。
      该系统可以方便的嵌入到APP、网站、微信中,实现多形式表述与快速传播,提高气象服务能力,方便广大不同需求公众用户多渠道、主动、迅速、方便地获取最及时、准确的气象信息。

主要有三部分组成:气象数据库、基于C/S架构的气象数据实时同步系统、基于B/S架构的气象微网。通过建立统一的气象数据库,使原本零散的数据实现统一,方便系统维护,所有数据(包括预报数据、观测数据等)通过数据实时同步系统统一入库。
目前主要功能有:天气监测、预报预警、天气服务等三大模块;
天气监测:实况监测、风力监测、气温监测、降水监测、卫星云图、雷达回波、台风路径。
预报预警:72小时预报、短期天气、七天预报、指数预报、景区天气、预警信号。
天气服务:气象微网、服务说明、帮助等。

根据气象行业数据特点,特别是气象观测数据、预报数据、服务产品、社会经济数据、业务支撑数据等,形成一个标准化的公共气象服务综合数据库,实现了省、市、县三级数据、产品的同步和共享,应用可定制的多种分发传输策略,达到了高效传输、稳定传输、智能传输的目标要求,并具有可扩展性,可解决气象系统常用的数据传输问题。 
主要特色
高效通信,传输效率极高; 
具有安全策略,保证授权传输;
支持多点互传,方便数据分发; 
实现对雷达数据的分析、处理,最终转换成空间数据入库;
可对卫星云图数据处理成图片格式;
量身定制,适合气象数据同步。

县级气象综合业务服务系统以自动化采集与共享的融合数据为基础,以县级气象局各岗位的工作内容为中心,以各岗位工作的实际 IT 需求为指导,充分整合现有业务系统,实现县级气象局全面的数据融合、业务融合,以实现县级气象业务和气象服务的集约化管理。系统在纵向延伸上,实现向上与国家局、省局、市局的数据对接,向下打通与终端受众群体的信息发布渠道;在横向延伸上,实现县级政府各部门横向融合的预警发布平台、防灾减灾指挥平台。

1、观测要素:能够实现调阅所有气象站的逐时天气实况, WEBGIS地图上展示多要素显示或单要素观测数据(要素可选),可显隐站点信息(站号、站名),同时提供列表数据,可进行查询和统计;同时可针对雨量、温度、风力、气压等形成相应的色斑图。
2、雷达资料:显示最新的雷达回波并叠加到Gis地图,可实现对雷达回波图的放大、缩小功能,并且能过滤指定强度雷达回波;可以按时间段查询历史数据,用户还可动画演示雷达图变化过程;达到阈值(可设置)时进行报警,主要以声音形式为主。
3、卫星资料:显示最新的卫星云图并叠加到Gis地图,可实现对卫星云图的放大、缩小功能;可以按时间段查询历史数据,用户还可动画演示雷达图变化过程;

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