鍛造氣象“芯片”解碼地球風云

每周五下午，中國工程院院士、中國氣象局全球數值天氣預報系統工程技術團隊負責人沈學順都會召集團隊成員開會，討論工作中遇到的各種技術問題。

從古至今，人們從未停止過對天氣預測的探索。而數值預報的出現，終于讓“計算天氣”成為可能。

但這是一場艱難而漫長的征途。為研發出具有自主知識產權的全球數值天氣預報系統，沈學順和他的團隊十年磨劍，集智攻關，跨過了一道又一道坎兒。

2023年5月，隨著中國氣象局全球同化預報系統正式業務運行，北半球可用預報天數突破8天。國際先進業務中心的北半球可用預報天數每提高1天，平均需要10年，而我國將天數從6.1天提升到現在的8.1天，僅用了14年。

“兩天”的跨越，承載了團隊成員多年的奮斗與堅守。在前不久舉行的“國家工程師獎”表彰大會上，該創新團隊被授予“國家卓越工程師團隊”稱號。

獲獎歸來，團隊又馬不停蹄地投入地球系統模式的持續研發和優化工作中。“大家目前最重要的任務就是全面開展基于下一代模式的地球系統模式研發，加快提升氣象科技自主創新水平，為率先建成氣象強國貢獻‘芯’力量。”沈學順說。

數值預報是基于數學物理學方法客觀定量計算未來天氣演變的預報技術，作為氣象業務的核心科技，被譽為氣象事業的“芯片”。

10多年前，引進國外先進成熟的數值預報模式，還是自主研發國產數值預報模式，是氣象工作者面臨的一道選擇題。

“每次面對這道選擇題，我們都堅定選擇了后者。”沈學順說，“研發具有自主知識產權的數值預報模式，為的就是不被別人‘卡脖子’。”

沈學順回憶，以前我國引進歐美開源模式，但是無法取得數值預報模式中的關鍵核心技術，因此數值預報水平長期落后于發達國家。

團隊成員孫健介紹，數值預報模式復雜，系統內部各分量之間聯系緊密、環節多。針對數值預報技術的關鍵難點以及分辨率提升帶來的計算問題，團隊一次次突破瓶頸，不斷優化參數，對模式進行“拆解”，以真正實現預報系統性能全面提升。“系統總代碼量超過300萬行，可見開發難度有多大。”孫健說。

數值預報系統有兩個最核心的關鍵部件，即模式和同化。對于負責資料同化的團隊成員張林來說，每一個觀測數據引入模式后，都要正確地進行同化，以有效發揮觀測網的效益。

張林介紹，數據同化既是科學，也是藝術，更是工程。他們就像工匠一樣，要找出隱藏在復雜系統中的一個個細小問題。這就像蝴蝶效應，有時一個極細小的問題都可能讓模式產生很大的偏差。

“做模式不是一蹴而就的，尤其在四維變分等方面，技術開發難度很大。但團隊每個人都兢兢業業，不為繁華易匠心。就這樣，我們攀越了一座座險峰。”團隊成員龔建東說。

正是靠著日復一日、年復一年的堅守，團隊建立了全鏈條0至15天無縫隙數值天氣預報業務體系。目前，我國全球模式預報能力已達國際先進模式水平，區域模式分辨率從10公里提升至1公里，臺風、暴雨等強對流天氣預報準確率全球領先。

“這些科技成果在中華人民共和國成立70周年慶典、中國共產黨成立100周年慶典、2022年北京冬奧會等重大活動中，發揮了不可或缺的科技支撐作用。”孫健說。

不僅如此，中國氣象局全球同化預報系統作為世界氣象中心（北京）的核心支撐，還可為共建“一帶一路”國家提供氣象災害預報預警產品。

“未來，我們將繼續優化模式性能，讓‘風云’更可測，為筑牢氣象防災減災第一道防線提供有力支撐。”沈學順說。