5月底，随着中国气象局全球同化预报系统（CMA-GFS V4.0）正式业务运行，数值模式北半球可用预报天数首次突破8天，全球预报空间分辨率从25公里提升到12.5公里，整体计算效率提高约30%，达到国际先进水平。这是中国气象局地球系统数值预报中心（以下简称“数值预报中心”）各部门强化主动、联动，协同攻关的成果，更得益于我国“风云”系列气象卫星数据种类增加、国产高性能计算机计算能力增强等一个个系统工程的强大支撑。

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突破8天：预报精细化程度进一步提升

“CMA-GFS V4.0的成功研制使得中国气象局自主数值天气预报系统的北半球可用预报天数首次超过8天，意味着CMA-GFS对8.1天内的大气环流形势具备预报能力, 接近国际先进业务中心的可用预报时效，这是我国数值天气预报模式发展的一个重要里程碑。另外，该系统显著提高了强降水量级、落区的预报准确率，在支撑全球热带气旋路径预报等方面也将发挥更好作用。”数值预报中心模式技术室主任孙健自豪地说。

数值模式被称为气象领域的“芯片”，由模型（即大气动力系统）和可计算建模模块构成。对于复杂的CMA-GFS V4.0而言，孙健认为，可以把它理解为由数百万行代码组成的软件系统，业务人员输入数字化、格点化的当前天气实况，经过复杂的计算分析，得出未来10天、水平分辨率12.5公里网格上、从地面到几十公里高空的所有气象要素。

“其实，从2021年开始，数值预报中心就聚焦关键核心技术攻关，通过开放数值预报业务模式基础框架、设置‘揭榜挂帅’任务清单等创新举措，吸纳国内外高校、科研院所等数值预报力量共同推动数值模式研发。”数值预报中心副主任龚建东说。

CMA-GFSV4.0于今年2月启动业务系统升级，数值预报中心模式技术室、资料同化室、卫星同化室、计算技术室等多部门对升级方案做了充分的研究，业务运行室克服时间紧、任务重的困难，制定合理的错峰调度策略，保障平行试验顺利完成，5月初完成了业务系统建设，5月底正式投入业务运行。

对于为何要对系统进行更新换代，孙健作出解释，原来25公里网格分辨率系统的预报能力与世界先进的业务中心相比还有较大差距，难以适应业务发展需求，尤其是对于难以“捕捉”的中小尺度天气，时空分辨率明显不足。目前，全球数值预报系统的分辨率已经进入解析中尺度天气系统的时代，模式分辨率均达到10公里左右，“我们不能一直停留在25公里，必须下定决心提高模式分辨率和预报精度。”两年时间里，团队找短板、狠剖析，克服以往研发领域的局限性，对CMA-GFS系统进行改进和升级。

解难题：啃下算法这块“硬骨头”

CMA-GFS是传统的经纬度计算网格，分辨率的提升导致极区极易出现数值计算不稳定问题。“这对于业务模式的稳定性要求是个很大的挑战。”孙健说道。另外，水平分辨率提高，全球网格数量也相应增多，积分时间步长也需要相应调整，这也给计算效率带来了挑战。“目前，我们仍然面临很多挑战，但是我们将不断优化模式，如利用机器学习、人工智能等对经验参数进行优化，提升计算能力。”为此，团队把观测数据放在正确的时间点上，也就是把静态的“三维变分”提高为有时间轴的“四维变分”，实现对更多高时间频次的常规资料和各类卫星资料的精确同化。另外，团队还下苦功夫大力解决国产卫星资料的应用问题，风云卫星资料的同化占比和有效贡献率得到不断提升。

如何从非线性增长的模式误差中找到关键因素，提高模式准确率，一直是孙健及团队想要突破的瓶颈。“没有捷径可走，我们一次次把模式‘拆解’开，尽可能收集更多的观测数据，然后通过对比后再完善模式的算法。”强降水预报准确率问题一直是CMA-GFS难啃的“骨头”，通过反复对比分析，他们发现模式中的对流与云物理过程的协调性存在不足，对流过于活跃。通过精细地调整对流触发机制后，整个模式变得更加协调，分辨率的提升也真正实现了对中小尺度强对流天气模拟精度的提高。

从“25公里”到“12.5公里”，我国“风云”系列气象卫星和地面观测系统等的不断发展让这质的飞跃有了更足的底气。卫星数据种类的成倍增加、风云气象卫星资料在CMA-GFS系统中的同化应用、快速辐射传输模式（ARMS）在CMA-GFS中的应用试验、我国自主研发的国产高性能计算机计算能力的增强……正因一系列气象系统工程的强力支持，数百万条代码才能自如驰骋，气象“中国芯”才能更加强大。

可预报天数多0.1天，就要付出极大的努力。“对于全球模式技术的开发，我们努力了14年，才将CMA-GFS的可用预报天数从2009年准业务运行时的6.1天提升到现在的8.1天。希望到2025年，可用预报天数可以接近或达到8.5天。”孙健说道。

（作者：唐淼 责任编辑：张林）

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