GRAPES“隔空指挥” 风云四号加密观测

　  今年第10号台风“安比”于7月22日12时30分前后在上海登陆后，一路北上，数天内给华东、华北及东北地区带来了较大风雨影响。 

　　在这次对台风“安比”的路径及风雨预报中，一种创新性的方法首次启用，即GRAPES数值预报系统根据对误差增长的敏感区计算，“隔空指挥”风云四号气象卫星在特定区域内开展加密观测，回传数据实时进入GRAPES四维变分资料同化系统，最终成功改善了对台风“安比”的预报。 

　　这也是我国在实时业务数值预报环境下，首次实现了大范围、高频次针对敏感区的卫星高光谱探测和实时资料同化应用，并成功实践了国际THORPEX（2002-2012）科学计划提出的交互式“观测-预报”科学思想。 

中国气象报记者 卢健 通讯员 刘永柱 王金成  

　　一场持续24小时的隔空互动  

　　“气象卫星在台风登陆前后启动加密观测，是增强台风监测预报效果的有效方法。不过，此前加密观测区域一般是由预报员根据经验划定，而这一次是由GRAPES全球数值预报系统经过精确计算后得出的。”中国气象局数值预报中心模式研发室副主任、风云四号卫星数值预报应用攻关团队首席专家韩威说。

　　那么，“安比”的加密观测区域是如何被精确锁定的呢？韩威介绍，GRAPES在解答这个问题时，主要分两步完成：首先，确定出高影响天气预报的目标区域；其次，也是最关键的，GRAPES要针对目标区进一步计算出敏感区。“敏感区是使误差预报增长最快的区域，在此区域内进行加密观测能最大限度提高目标区的预报精度，达到事半功倍的效果。此次我们应用GRAPES基于切线性和伴随模式技术的奇异向量(SV)方法，为风云四号划定了30分钟时间分辨率的加密观测范围。”

　　随后，从7月23日18时开始，“天地互动”迅速开展，GRAPES向3.6万公里高空上的风云四号气象卫星发出指令，风云四号气象卫星上高光谱红外大气垂直探测仪(GIIRS) 针对敏感区开展加密观测，观测资料及时回传，实时同化到GRAPES全球四维变分同化预报系统（4DVAR）中。

　　而除了开始时刻二者历史性地“接通电话”并完成“沟通”以外，它们随后还认真地“煲了长达24小时的电话粥”。韩威说，当初次加密观测资料进入模式完成同化后，得到了新的初始场，GRAPES又可以计算出下一次的敏感区，直至该灾害性天气结束。

　　根据评估，风云四号卫星与GRAPES进行配合，24小时加密观测为精准预报台风“安比”的风雨影响提供了重要定量预报产品支撑，最终成功提高了目标区域内的预报效果。

　　一次对WMO/THORPEX交互式 “观测-预报”的实践  

　　在数值预报资深专家陈德辉研究员看来，这次风云四号与GRAPES的“隔空互动”，还有另外一个层面的意义，即对国际观测系统研究与可预报性试验（THORPEX 2002-2012）科学计划中提出的交互式“观测-预报”思想进行了一次创新实践。

　　在这项世界气象组织（WMO）提出为期10年的世界天气研究计划中，观测预报一体化被寄予厚望，以加速提高1～14天高影响天气的预报精度。

　　在传统的天气预报中，观测网固定，观测时刻定时。而交互式“观测-预报”中观测与预报是有互动的，首先根据固定、定时的观测做出预报，根据高影响灾害性天气预报的敏感性，在某些区域加强观测，利用新增的观测和已有的观测数据再次做出预报，从而能够更有效地提高高影响灾害性天气的预报准确率。

　　此前，美国的大西洋风暴计划、亚洲T-PARC（2008）计划以及台湾大学吴俊杰教授团队的追风计划等，都曾针对飓风、台风等高影响天气进行加密观测，但大多带有科研性质。此外，上海台风研究所也进行过追风观测，但观测数据并没有实时进入预报，只作科研之用。

　　陈德辉表示，真正在实时业务中实现交互式“观测-预报”，高频次观测能力是个绕不开的“硬杠杠”。“国外在这方面的科学研究和尝试有很多，但他们大都采用下投式探空或者飞机观测，从确定敏感性区域到得到加密观测资料的时间链条较长。”但从这个汛期开始，国内在此方面有一个重要的加分项，今年5月风云四号投入业务应用，其搭载的世界首台静止轨道红外高光谱大气垂直探测仪（GIIRS）能够30分钟进行一次区域大气温湿度三维探测，可以大大缩短探空资料获取的时间间隔。

　　此外，通过应用资源池技术，GIIRS探测资料还可以在1分钟之内到达GRAPES运行的高性能计算机系统，为实时资料同化应用提供了保障。

　　另一方面，专家们认为，一个能够“消化、吸收”全新观测资料的数值预报模式同化系统，则是完成交互式“观测-预报”的标配。此次“隔空互动”的主角之一、GRAPES全球四维变分同化（4D-Var）系统于7月1日刚刚上线。与此前同化系统相比，它的“消化系统”更好，使用观测资料总量较三维变分同化系统增加50%左右。“作为世界上少数几个4D-Var业务化系统之一，GRAPES全球四维变分同化系统为更有效同化更多高时间频次的常规资料和各类卫星资料，提供了一个很好的基础平台。”韩威说。

　　编者的话>> 应用，技术提质增效提供最强加速度  

　　风云四号气象卫星和GRAPES全球数值预报系统都是我国在气象领域自主研发的国之重器。在这次针对台风“安比”的重大气象保障中，二者“隔空互动”，完美配合，成功改善了对“安比”的分析和预报。而在更深层次上，这次默契配合，也为我国自主知识产权产品“出厂”后的效益最大化问题，提供了一个良好范例。 

　　以风云卫星在数值预报领域的效益发挥为例，就在几年前，还有“墙内开花墙外香”的故事版本。2014年，欧洲中期数值预报模式率先对我国第二代极轨气象卫星——风云三号B星的全球观测信息进行同化，即获得了“令人惊喜的效果”——模式的预报精度提高了1%。而彼时，国内对于国产卫星产品“好不好用，要不要用”，还持观望态度。 

　　犹疑还是大胆尝试？对类似经历进行反思后，我们坚定决心，选择了后者。转变思路、创新机制、激发活力，几年时间里，在一系列政策推动下，软投入和硬投入被放在了同等重要的位置，天气、数值预报、气候、生态环境、公共服务、人工影响天气等领域的专家牵头风云四号应用攻关……还是以风云卫星在数值预报领域的应用为例，在风云四号投入业务应用后的短短数月中，我们就成功应用卫星上的全新仪器全新数据，创新进行了“观测-预报”互动实践。这一次，我们“闻到了花香”。 

　　这只是一个开始。下一步，GRAPES还将对更多全新、有挑战性的自主卫星资料进行同化。创新，就意味着没有经验可以借鉴；肯定会有成功，也会遇到难解之题。无论是哪一种，就如同中国工程院院士许健民所说：自主产权技术，只有用才能发现问题，只有用才能改进。应用，是对自主知识产权产品效益发挥提供的最强加速度。