中國工程院院士沈?qū)W順：讓我國自主數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)算得更準(zhǔn)更快

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是20世紀(jì)最重大的社會(huì)與科技進(jìn)步之一。2015年9月，《自然》（《Nature》）期刊中寫道：“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是所有物理科學(xué)中影響最大的領(lǐng)域之一。作為一個(gè)計(jì)算問題，全球天氣預(yù)報(bào)類似于人腦和宇宙早期演化的模擬，并且每天都在世界各地主要的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中心運(yùn)行?！?/p>

這是一項(xiàng)了不起的成就。在人類生活的世界，或許沒有其他預(yù)測(cè)未來的工作取得像氣象領(lǐng)域這樣的進(jìn)展，更何況是面對(duì)如此復(fù)雜多樣的自然變化。

100多年前，數(shù)值預(yù)報(bào)的先驅(qū)英國人路易斯·弗萊·理查森，在《用數(shù)值方法預(yù)測(cè)天氣》中討論湍流時(shí)寫下一首小詩：“大漩渦里有小漩渦，它們以速度為食；小漩渦里有小小旋渦，它們以黏度為食。如此繼續(xù)?！边@是為了描述數(shù)值預(yù)報(bào)的復(fù)雜性，感嘆其用數(shù)學(xué)建模方法時(shí)有多么困難。

100多年里，無數(shù)科研工作者毅然踏上數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的研發(fā)之路，攻堅(jiān)克難，砥礪前行。

中國工程院院士、國家氣象創(chuàng)新工程及中國氣象局天氣氣候一體化模式重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心首席科學(xué)家、中國氣象學(xué)會(huì)數(shù)值預(yù)報(bào)專業(yè)委員會(huì)主任沈?qū)W順，就是其中之一。

沈?qū)W順說，數(shù)值預(yù)報(bào)就是氣象部門的核心科技，是氣象領(lǐng)域的“芯片”，傾注畢生心血也無怨無悔。

人生道路與中國新一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)自主開發(fā)事業(yè)交匯

數(shù)值預(yù)報(bào)是什么？

在新成立3年的中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心，沈?qū)W順說：“很簡單，就是用計(jì)算機(jī)算天氣。以前大家都是看天氣圖，用統(tǒng)計(jì)的辦法做一些推理，然后去預(yù)報(bào)，就像中醫(yī)號(hào)脈一樣，現(xiàn)在則是在計(jì)算機(jī)里基于數(shù)學(xué)物理方法客觀定量計(jì)算未來天氣演變?！?/p>

邏輯線很簡單，但要做到這件事，并不簡單。

人類試圖預(yù)測(cè)天氣的源流可以追溯到幾千年甚至萬年前，但如果基于科學(xué)的基礎(chǔ)預(yù)測(cè)天氣，則是100多年前開始的。那時(shí)，許多對(duì)科學(xué)有熱情的探索者們爆發(fā)了對(duì)氣象的熱情，紛紛投入到這份尚未完全顯示出宏大前景的事業(yè)中，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的概念醞釀而出。

從20世紀(jì)50年代試驗(yàn)成功，到20世紀(jì)70年代發(fā)展應(yīng)用，在多年穩(wěn)步持續(xù)的科學(xué)認(rèn)知和技術(shù)進(jìn)步的積累之上，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)成為一個(gè)跨學(xué)科的復(fù)雜而嚴(yán)格的系統(tǒng)性工程，這使得天氣預(yù)報(bào)也從傳統(tǒng)的以統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)為主的天氣圖方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭陀^定量的科學(xué)。

中國的數(shù)值預(yù)報(bào)天氣研究始于1954年，我國是國際上較早開展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的國家之一。許多讓后輩們崇敬的老一輩氣象科學(xué)家，都為我國數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展作出貢獻(xiàn)，也取得了在國際有廣泛影響的成果。

從20世紀(jì)70年代后期開始，中國進(jìn)入自主研制數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的熱點(diǎn)時(shí)期。到“七五”期間，以從歐洲中期預(yù)報(bào)中心（ECMWF）引進(jìn)的全球譜模式為核心，在國家氣象中心院士李澤椿領(lǐng)導(dǎo)下，我國在國產(chǎn)銀河大型機(jī)上建立了T42L9全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)，于1991年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初幾經(jīng)升級(jí)（后稱為T系列），支撐了中國的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)與服務(wù)。

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，中國氣象局作出未來數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展技術(shù)路線由引進(jìn)為主轉(zhuǎn)為自主開發(fā)為主的重大決策，開啟了中國新一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的自主開發(fā)工作。

此時(shí)，青年沈?qū)W順的人生道路與這項(xiàng)事業(yè)交匯。在大學(xué)里，沈?qū)W順第一次接觸到數(shù)值預(yù)報(bào)。1983年，沈?qū)W順被蘭州大學(xué)地質(zhì)地理系錄取，攻讀氣象學(xué)專業(yè)。4年后，憑借每個(gè)學(xué)年專業(yè)第一的優(yōu)異成績，沈?qū)W順被推免至蘭州大學(xué)大氣科學(xué)系攻讀天氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位。選什么專業(yè)方向呢？“感覺到自己想做一些有挑戰(zhàn)性的東西?！弊罱K，他選擇數(shù)值預(yù)報(bào)方向，“覺得很有發(fā)展前途，用計(jì)算機(jī)能夠把天氣算出來，還是很神奇的。”

1992年，懷著對(duì)知識(shí)的無限渴求，沈?qū)W順踏上前往日本求學(xué)之路。畢業(yè)后，他在東京大學(xué)氣候系統(tǒng)研究中心擔(dān)任助理研究員、文部教官。

2001年，時(shí)任中國氣象科學(xué)研究院院長張人禾到日本參加一個(gè)學(xué)術(shù)研討會(huì)，沈?qū)W順得知，中國氣象局成立了數(shù)值預(yù)報(bào)創(chuàng)新基地，要自主研發(fā)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。張人禾征詢沈?qū)W順意見，問他愿不愿意回國參加數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)。

“我說這是好機(jī)會(huì)！后來就這樣回來了，很簡單?！鄙?qū)W順放棄了在日本的安逸生活，“主要還是作為一個(gè)中國人最樸素的感情，想回來為國家做點(diǎn)事情。”

走在一條正確的道路上

2002年，回國之后的沈?qū)W順來到新的路口—這同樣是中國天氣數(shù)值預(yù)報(bào)之路的新交叉口。

我國在20世紀(jì)80年代末到90年代初建立起數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，但數(shù)值模式系統(tǒng)的主體框架由國外引進(jìn)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)值預(yù)報(bào)水平在模式的性能、資料同化、模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率等方面均存在較大差距。

每個(gè)學(xué)科、每個(gè)行業(yè)，都有自己的核心科技。“核心科技體現(xiàn)了我國整體科技實(shí)力，靠各個(gè)行業(yè)的科技實(shí)力一點(diǎn)一點(diǎn)地累積起來，構(gòu)成整體力量。”沈?qū)W順解釋說，數(shù)值預(yù)報(bào)就是氣象部門的核心科技，是氣象領(lǐng)域的“芯片”。

“我們要有能力，把我們國家自己的數(shù)值預(yù)報(bào)做好?！焙唵我痪湓挘澈髤s是不簡單的長遠(yuǎn)考量，“這是氣象部門的核心科技，掌握在我們自己手里，相當(dāng)于我們國家具備了這一方向的科技實(shí)力?！?/p>

自2002年10月起，沈?qū)W順擔(dān)任中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)創(chuàng)新基地首席研究員，那時(shí)該基地不過一二十人。他們將全力推進(jìn)研發(fā)我國自己的新一代全球/區(qū)域多尺度通用同化與數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，即GRAPES模式（Global/RegionalAssimilationandPrEdictionSystem，后發(fā)展更名為CMA模式，也就是中國氣象局模式）。

如何在深入理解和借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，搭建適合我國國情的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是GRAPES模式研發(fā)之初面臨的重要問題。在中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)創(chuàng)新基地創(chuàng)立之初，薛紀(jì)善、陳德輝等前輩開展多方調(diào)研，充分考慮了計(jì)算機(jī)發(fā)展等前沿趨勢(shì)，選擇了合適的技術(shù)路線。

大的技術(shù)方案已經(jīng)確定，“最優(yōu)先考慮的是先把模式轉(zhuǎn)起來，有些技術(shù)方案的核心問題能夠解決得扎實(shí)一點(diǎn)?！鄙?qū)W順團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)非常明確。

各關(guān)鍵環(huán)節(jié)計(jì)算方案的推敲、試驗(yàn)、驗(yàn)證貫穿于承擔(dān)任務(wù)各小組的整個(gè)研發(fā)過程中。有時(shí)，僅僅一個(gè)微小的細(xì)節(jié)問題就可能導(dǎo)致模式整體性能下降，甚至導(dǎo)致全部過程推倒重來，而團(tuán)隊(duì)始終沒有動(dòng)搖。

團(tuán)隊(duì)骨干張林從2004年開始在沈?qū)W順帶領(lǐng)下開展工作，“與引進(jìn)、消化、吸收的路徑相比，自主研發(fā)路徑雖然起點(diǎn)較低，但每一步都是自己走的，我們清清楚楚地了解其中的問題，包括優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和改進(jìn)的方向，而且只有掌握自主技術(shù)研發(fā)能力，才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展”。

最大的支持來自中國氣象局黨組始終堅(jiān)定不移堅(jiān)持自主研發(fā)的決心。在沈?qū)W順看來，中國氣象局黨組的支持如同定海神針，對(duì)穩(wěn)定整個(gè)團(tuán)隊(duì)的信心起到了非常重要的作用。2006年，GRAPES區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（GRAPES-Meso）正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，這意味著從模式到同化、有限區(qū)/全球一體化的研究與業(yè)務(wù)通用的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)成功建立，促成了我國數(shù)值預(yù)報(bào)模式成功研發(fā)。2007年7月，GRAPES模式的研發(fā)全面進(jìn)入全球模式系統(tǒng)發(fā)展階段。

他們堅(jiān)信，自己正走在一條正確的道路上。

堅(jiān)持不懈，迎來了豐碩收獲

數(shù)值預(yù)報(bào)模式要用來做預(yù)報(bào)，要時(shí)刻接受天氣的檢驗(yàn)—這必然不是一項(xiàng)僅停留在案頭的工作。

2010年，中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心成立，作為國家氣象中心的組成部分。目的很明確，就是打通數(shù)值預(yù)報(bào)自主研發(fā)、應(yīng)用、改進(jìn)、發(fā)展的良性循環(huán)。

“當(dāng)時(shí)瞄準(zhǔn)的就是全面業(yè)務(wù)化?！鄙?qū)W順當(dāng)時(shí)任該中心副主任和首席科學(xué)家。

數(shù)值預(yù)報(bào)的研發(fā)涉及科學(xué)和技術(shù)的不斷進(jìn)步和相互促進(jìn)，是一個(gè)科學(xué)技術(shù)的交叉積累過程。這是一條從踏上就注定需要走過漫漫征途的長路。如果沒有堅(jiān)定的信心，又如何能一路跋涉？

團(tuán)隊(duì)骨干韓威2005年加入數(shù)值預(yù)報(bào)自主研發(fā)隊(duì)伍，所有努力都是為了讓衛(wèi)星資料在模式中能“用得上”。到2016年，12年里，他的文章和“成果”幾乎為零。其間，曾有國外機(jī)構(gòu)給他發(fā)出一份讓人心動(dòng)的工作邀約。但他放棄了這個(gè)機(jī)會(huì)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)GRAPES全球同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展正處于關(guān)鍵時(shí)期。

“研發(fā)長周期的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)工程，如同長征，即使在最困難的時(shí)候，我也沒有想過放棄，但確實(shí)做好了‘犧牲’的準(zhǔn)備。”數(shù)年后，韓威應(yīng)邀在大學(xué)校園向年輕學(xué)子分享科研經(jīng)歷時(shí)坦陳，“我選擇堅(jiān)守GRAPES研發(fā)陣地，一步步扎扎實(shí)實(shí)做好業(yè)務(wù)化工作?！?/p>

2008年，GRAPES全球四維變分同化系統(tǒng)研發(fā)工作啟動(dòng)。這是提高全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平的關(guān)鍵技術(shù)之一，該領(lǐng)域在國內(nèi)尚屬空白，缺少技術(shù)積累和知識(shí)儲(chǔ)備。在很長一段時(shí)期里，沈?qū)W順與團(tuán)隊(duì)成員一邊探索基礎(chǔ)理論，一邊進(jìn)行各種研發(fā)調(diào)試。

堅(jiān)持不懈，迎來了豐碩收獲。

2016年，正式業(yè)務(wù)化運(yùn)行并面向全國下發(fā)產(chǎn)品的GRAPES全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)，被視為我國數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的重要標(biāo)志，也宣告我國基本掌握了從全球預(yù)報(bào)到區(qū)域高分辨率預(yù)報(bào)的系列數(shù)值預(yù)報(bào)核心技術(shù)。

2018年，全球四維變分同化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化，我國進(jìn)入資料同化技術(shù)主流行列，成為繼歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、法國、英國、加拿大和日本之后，全世界第六個(gè)自主建立四維變分同化系統(tǒng)的業(yè)務(wù)中心。

2019年和2020年，該系統(tǒng)連續(xù)完成了業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級(jí)。這些工作不僅顯著提高了我國全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平，而且大大縮小了我國在該領(lǐng)域與國際領(lǐng)先水平的差距。

每一天，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品都在被廣泛應(yīng)用和檢驗(yàn)。目前，團(tuán)隊(duì)建立了全鏈條0至15天無縫隙數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)，為各級(jí)氣象臺(tái)站和水利部、生態(tài)環(huán)境部等部門提供預(yù)報(bào)產(chǎn)品支撐，有力支撐防災(zāi)減災(zāi)第一道防線；中國氣象局全球數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為世界氣象中心（北京）的核心支撐，對(duì)“一帶一路”沿線多個(gè)國家和地區(qū)提供氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品；提供遠(yuǎn)洋導(dǎo)航所需全部國產(chǎn)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，具備了自主全方位服務(wù)保障國家重大戰(zhàn)略的能力。

2021年，中國氣象局統(tǒng)一規(guī)范數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式命名，氣象部門數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式中文全稱統(tǒng)一加冠“中國氣象局”，英文縮寫前綴變更為“CMA-”?！拔覀兊呢?zé)任和義務(wù)就是把它做得越來越好，讓它代表中國這方面的品牌。”沈?qū)W順說。

新一代大氣數(shù)值模式研發(fā)的路線圖和時(shí)間表已經(jīng)明確

今年3月19日，中國氣象局下一代大氣數(shù)值模式正式發(fā)布。該模式采用完全自主的動(dòng)力框架算法—多矩約束有限體積方法（MCV）為基礎(chǔ)算法，進(jìn)一步提升全球公里級(jí)和區(qū)域百米級(jí)尺度數(shù)值預(yù)報(bào)的精度，顯著減小全球天氣氣候一體化模式誤差，且該模式面向最新高性能計(jì)算機(jī)體系設(shè)計(jì)的軟件框架，具備10萬核高可擴(kuò)展性，可充分應(yīng)用最新超級(jí)計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算性能。

2021年9月30日，中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心成立?！俺闪⑦@個(gè)中心，也是中國氣象局黨組看準(zhǔn)未來數(shù)值預(yù)報(bào)不僅是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，要更好地精細(xì)服務(wù)各行各業(yè)，必須發(fā)展地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)?！睍r(shí)任中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心副主任沈?qū)W順說。

新的時(shí)代潮流不斷涌入數(shù)值預(yù)報(bào)的河流，百年前的涓涓細(xì)流，如今已成大江大河，奔涌向前。近年，人工智能迅猛發(fā)展，其在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。沈?qū)W順和團(tuán)隊(duì)在關(guān)注、在推進(jìn)研究，“天氣預(yù)報(bào)或氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)，需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo)，一是算得準(zhǔn)、二是算得快、三是算得久。那么，人工智能怎么嵌進(jìn)去，在提高計(jì)算精度等方面如何發(fā)揮作用，都是我們需要思考和探索的?！?/p>

辦公室門外的走廊上，新一代大氣數(shù)值模式研發(fā)的路線圖和時(shí)間表已經(jīng)掛出來。

或許在沈?qū)W順的腦海中，也有大漩渦、小漩渦，小漩渦里有小小旋渦，它們平靜又澎湃，勾勒出理想中的數(shù)值預(yù)報(bào)。暢享10年以后的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，沈?qū)W順充滿信心和期待：“模式的分辨率會(huì)很高，計(jì)算機(jī)會(huì)算得更快、算得更準(zhǔn)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)更穩(wěn)定，肯定比現(xiàn)在數(shù)值預(yù)報(bào)的能力要上一個(gè)大臺(tái)階！”