锻造气象"芯片" 解码地球风云
——记"国家卓越工程师团队"中国气象局全球数值天气预报系统工程技术团队
每周五下午,中国工程院院士、中国气象局全球数值天气预报系统工程技术团队负责人沈学顺都会召集团队成员开会,讨论工作中遇到的各种技术问题。
从古至今,人们从未停止过对天气预测的探索。而数值预报的出现,终于让"计算天气"成为可能。
但这是一场艰难而漫长的征途。为研发出具有自主知识产权的全球数值天气预报系统,沈学顺和他的团队十年磨剑,集智攻关,跨过了一道又一道坎儿。
2023年5月,随着中国气象局全球同化预报系统正式业务运行,北半球可用预报天数突破8天。国际先进业务中心的北半球可用预报天数每提高1天,平均需要10年,而我国将天数从6.1天提升到现在的8.1天,仅用了14年。
"两天"的跨越,承载了团队成员多年的奋斗与坚守。在前不久举行的"国家工程师奖"表彰大会上,该创新团队被授予"国家卓越工程师团队"称号。
获奖归来,团队又马不停蹄地投入地球系统模式的持续研发和优化工作中。"大家目前最重要的任务就是全面开展基于下一代模式的地球系统模式研发,加快提升气象科技自主创新水平,为率先建成气象强国贡献'芯'力量。"沈学顺说。
数值预报是基于数学物理学方法客观定量计算未来天气演变的预报技术,作为气象业务的核心科技,被誉为气象事业的"芯片"。
10多年前,引进国外先进成熟的数值预报模式,还是自主研发国产数值预报模式,是气象工作者面临的一道选择题。
"每次面对这道选择题,我们都坚定选择了后者。"沈学顺说,"研发具有自主知识产权的数值预报模式,为的就是不被别人'卡脖子'。"
沈学顺回忆,以前我国引进欧美开源模式,但是无法取得数值预报模式中的关键核心技术,因此数值预报水平长期落后于发达国家。
团队成员孙健介绍,数值预报模式复杂,系统内部各分量之间联系紧密、环节多。针对数值预报技术的关键难点以及分辨率提升带来的计算问题,团队一次次突破瓶颈,不断优化参数,对模式进行"拆解",以真正实现预报系统性能全面提升。"系统总代码量超过300万行,可见开发难度有多大。"孙健说。
数值预报系统有两个最核心的关键部件,即模式和同化。对于负责资料同化的团队成员张林来说,每一个观测数据引入模式后,都要正确地进行同化,以有效发挥观测网的效益。
张林介绍,数据同化既是科学,也是艺术,更是工程。他们就像工匠一样,要找出隐藏在复杂系统中的一个个细小问题。这就像蝴蝶效应,有时一个极细小的问题都可能让模式产生很大的偏差。
"做模式不是一蹴而就的,尤其在四维变分等方面,技术开发难度很大。但团队每个人都兢兢业业,不为繁华易匠心。就这样,我们攀越了一座座险峰。"团队成员龚建东说。
正是靠着日复一日、年复一年的坚守,团队建立了全链条0至15天无缝隙数值天气预报业务体系。目前,我国全球模式预报能力已达国际先进模式水平,区域模式分辨率从10公里提升至1公里,台风、暴雨等强对流天气预报准确率全球领先。
"这些科技成果在中华人民共和国成立70周年庆典、中国共产党成立100周年庆典、2022年北京冬奥会等重大活动中,发挥了不可或缺的科技支撑作用。"孙健说。
不仅如此,中国气象局全球同化预报系统作为世界气象中心(北京)的核心支撑,还可为共建"一带一路"国家提供气象灾害预报预警产品。
"未来,我们将继续优化模式性能,让'风云'更可测,为筑牢气象防灾减灾第一道防线提供有力支撑。"沈学顺说。
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