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        2. 非凡十年看變遷 | 精準預測風云變幻
          發布時間:2022-05-09
          來源:中央紀委國家監委網站

          氣候變化是全人類面臨的共同挑戰,隨著全球變暖,極端天氣氣候事件增加,加強氣象預報預測并及早未雨綢繆,是應對氣候變化的重要舉措。

          5月起,我國正式進入汛期。近日,國家氣候中心向公眾發布了2022年汛期氣候預測,這是國家氣候中心第二年向公眾公開發布氣候預測信息。我國是世界上最早開展氣候預測業務的國家之一,如果說天氣變化影響近幾天的安排,那么氣候預測則可以為更長時間的活動規劃提供依據。多年來,我國氣候預測團隊致力于推動預測技術和應用的發展,為制定國民經濟發展計劃和部署防汛抗旱、防災減災救災等決策提供科學支撐。今年“五一”,國家氣候中心氣候預測室榮獲了2022年全國工人先鋒號(集體)。

          新技術部分性能達到國際領先水平預測準確率穩步提升、接近上限

          最近,北京市大興區龐各莊鎮的頭茬西瓜上市了。瓜農王超的瓜棚里,西瓜長勢正旺。前幾天,王超看了國家氣候預測中心的預報,今年汛期雨水較往年偏多。連續降雨對西瓜各個生長時期都會造成很大影響。王超準備在排水和降濕上做點準備。“我們種地的最關心氣候,現在能及時知道氣候訊息,早做準備,比以前方便多了。”王超高興地表示。

          讓瓜農獲益的氣候預測過去稱為長期天氣預報。在氣候預報人員眼中,天氣預報和氣候預測有一個共同點——揣摩“老天爺”的脾氣。不過,想要把“老天爺”的脾氣摸準,氣候預測關注的時空范圍和面臨的難度更大一些。

          “天氣變化主要取決于大氣自身運動,重點關注大氣環流的演變和影響。”國家氣候中心氣候預測室副主任、正高級工程師劉蕓蕓表示,氣候預測不僅要關注大氣環流的變化,還要關注海洋等特征的演變和影響。這是因為氣候預測的對象都是10天以上的長時間尺度,而大氣中的異常信號往往只能維護一周左右的時間。而我國處于東亞季風區,季節和年際變率大,影響我國氣候的系統復雜,氣候預測的難度更大。

          準確率是氣候預測服務效率的重要指標。面對防災減災需求,預報信息越準、越早,越有利于減少災害損失。因此,多年來,氣候預測室一直在想方設法提高準確率。

          氣候預測的主要工具之一是動力氣候模式——通過量化大氣運動規律而建立一組物理機制模型。國家氣候中心副主任、正高級工程師肖潺表示,發展更為精細的氣候預測模式,更好地描述物理氣候系統,就有望做到更加精確預測。

          據劉蕓蕓介紹,我國的氣候預測模式經歷了第一代、第二代、第三代的發展過程。2021年,由國家氣候中心自主研發的第三代氣候模式系統實現準業務化運行,部分性能達到國際領先水平,實現了我國氣候預測自主核心技術的一大發展。

          “擁有自主研發的動力氣候模式系統,對我們的氣候預測業務來講是一個堅如磐石的支撐。一方面可以提高實時預測服務能力,另一方面使得我們的預測業務更加安全穩定。”劉蕓蕓表示,相對于第二代模式系統,第三代模式的水平分辨率和垂直分辨率都有明顯提高。

          圍繞提高準確率的目標,近年來,氣候預測室基于氣候模式,還建立了一些新的預測系統,并通過誤差訂正技術縮小了模式的預測誤差,也減少了氣候預測的不確定性,推動氣候預測準確率穩步提高。

          目前,我國氣候預測的準確率已達到70%左右。而對于氣候預測來說,準確率是有“天花板”的,從科學認知和可預報性的角度,一般認為,我國氣候預測準確率的上限是75%至85%。

          多學科技術成果運用兩三天完成的預測工作縮短至2到4小時

          現代天氣預報和氣候預測,均要以全國乃至全球觀測資料作為數值模式的初值,通過計算機代入初值對數學物理方程進行求解,進而計算出未來的大氣狀況。這個過程要用的數據量大得驚人,有的要用高速計算機“轉”好幾個月。

          中國氣象局國家氣候中心首席預報員、氣候預測室總工程師陳麗娟每天的主要工作內容就是利用計算機獲得大量觀測數據和模式預測數據,經過診斷分析以及各種預測方法,最終獲得最優的預測結果。1995年,陳麗娟研究生畢業后來到國家氣候中心工作,當時的氣候延伸期(11-30天)預報依靠的還是第一代動力氣候模式系統。

          “過去,延伸期預報依賴的大氣環流模式也是在計算機上運行,但只有值班室有幾臺終端顯示器,多數人都沒有電腦。”陳麗娟回憶起從前,那時,她經常做的工作是利用計算機終端提交模式作業、利用編程進行數據處理。但由于計算機存儲空間有限,所以陳麗娟必須經常將歷史數據用磁帶備份。

          “那時的數據磁帶塊頭大,可以用沉重來形容,但存儲量很小,和現在存儲介質相比差遠了,備份數據這種活兒更像是個體力活。”陳麗娟說,“當時國內能夠使用的動力氣候模式也很少,由于國際交流限制,也沒有國際互聯網,所以看不到國外模式的預測信息。受模式性能、監測數據歷史短以及大氣科學認知水平等的限制,當時對外發布的氣候預測準確率總體不高。”

          記者了解到,從客觀條件上來說,氣候預測的準確率和其他學科的科技進步密不可分,尤其是近年來我國超級計算機、互聯網、人工智能等新興技術學科的快速發展,讓我國氣候預測準確率呈現螺旋式上升的趨勢。

          劉蕓蕓表示,大氣科學是最早涉及大數據的學科之一,近年來人工智能技術也在很多領域獲得應用。對氣候預測來講,一方面,機器學習有助于提高氣候模式中的物理參數化過程;另一方面,利用機器學習等技術可以提高模式對降水、氣溫等變量的預測技巧。

          先進的設備和技術,讓陳麗娟和同事們如今的工作便捷了很多。

          “中國氣象局擁有國產的高性能計算機,每個預報員都有性能優越的臺式機,可以通過網絡方便訪問國家氣象信息中心管理的高性能計算機。互聯網和國際合作的快速發展,可以方便獲取國際上主流業務中心的動力氣候模式預測信息。”

          陳麗娟介紹說:“無論過去還是現在,雖然表面上預報員都是在利用計算機完成預報業務,但是計算機的性能,處理的數據量,面對的各種模式性能已經發生了很大變化。我們對氣候異常機理的認知也極大豐富了。不僅關注我國的氣候異常,還關注亞洲以及全球發生的氣候異常特征、成因和展望。”

          伴隨預測準確而來的還有高效。

          據劉蕓蕓介紹,目前,我國氣候預測依賴的方法由單一的模式轉向多模式以及動力—統計—機器學習多元技術的融合。例如延伸期尺度的預測,預報員獲得模式運行結果后,2至4小時就可完成數據處理、集成分析和預報圖繪制,當天即可發布產品。而以前受制于計算條件,模式每10天才可以得到一次運行結果,預測產品制作需要2至3天。

          氣象觀測站增加到2000多個  預報內容更加精細、更加豐富

          精細化也是體現氣候預測水平的一個重要指標。

          天氣、氣候是一個復雜的變量,就拿北京市來說,不同的城區和郊區的天氣和氣候特征經常會存在差異,有時候強降水在西部,有時候可能在北部。預報結果如果能夠精細到很小、很具體的空間,對政府防災減災工作和工農業生產指導將更有針對性。

          想要準確預測某一地方的氣候,首先需要知道這個地區的歷史氣候特征,因此數據采集很重要,早期需要依靠建設氣象站完成。近年來,我國的氣象觀測站迅速增加,這為氣候的精細化預報提供了條件。

          “早期對我國的降水和氣溫預測主要基于160個氣象站,這是因為建國初期到60年代,我國的氣象觀測站布局有限。目前,光國家氣象信息中心經過系統性質量控制的觀測站就有2000多個。氣候預測由以前的全國160站預報擴展至全國2000多站分縣預報。”劉蕓蕓告訴記者,“粗略平均的話,全國160站,相當于250平方公里范圍有一個站,大概是每四個城市有一個觀測站;而2000多個站,相當于50平方公里范圍內有一個觀測站。由于地理環境和人口密度不同,東部地區的站點比西部地區相對密集。”

          觀測站點多了,得到的數據也就更加詳實,更能真實反映局地氣候特征。

          陳麗娟舉了一個例子:“以前氣候預測,北京市只有一個代表站,無法代表北京復雜的區域特征。而現在,北京市有16個觀測站數據在預測業務中應用,我們可以分析這些觀測站歷史數據的特征和影響系統,還可以評估動力氣候模式對不同站點的預測能力,進行進一步的誤差訂正,從而獲得精細化、高技巧的預測結果。”

          除了氣象站的增加,近些年,衛星遙感數據的應用以及大數據等先進技術的應用,也讓氣候系統觀測的精細化程度進一步提高。

          陳麗娟表示,氣候預測室的業務自國家氣候中心成立以來不斷從時間和空間尺度拓展,預報對象也在不斷豐富。時間上,可以提供延伸期、月、次季節、季節、年際的預測;空間上,既可以精細化到縣級站,也可以拓展到亞洲甚至全球區域;預報對象從最初只包含降水、氣溫兩項指標,拓展到如今的全球海洋事件、關鍵環流系統、重要氣候事件,以及農林、能源、水利等需要的要素。

          近幾年,氣候預測由單純的面向政府的決策服務轉為面向用戶的決策服務和公眾服務。產品開始面向公眾是我國氣候預測能力提升的表現。“在這個轉變過程中,一方面感覺到預測壓力增大,尤其在全球變暖的背景下,極端事件頻發,很多研究成果和結論不能照搬照用。另一方面感受到我們預測工作的價值在增強。”陳麗娟說,隨著“雙碳”目標的提出,綠色能源在我國能源保障中的比例逐漸提高,而綠色能源涉及的風力發電等都和氣象條件密切相關。針對這種旺盛的能源生產服務需求,氣候預測室及時開發了風能、光能氣候預測產品,為能源系統提供氣象保障服務。還在環境領域初步建成大氣污染氣候監測預測業務系統,提供各月和季節大氣污染總體趨勢,為重大活動氣象保障服務提供科技支撐。

          編輯人員:陳浩文

          非凡十年看變遷 | 精準預測風云變幻

          發布時間:2022-05-09 來源:中央紀委國家監委網站 字體大小: 分享至:

          氣候變化是全人類面臨的共同挑戰,隨著全球變暖,極端天氣氣候事件增加,加強氣象預報預測并及早未雨綢繆,是應對氣候變化的重要舉措。

          5月起,我國正式進入汛期。近日,國家氣候中心向公眾發布了2022年汛期氣候預測,這是國家氣候中心第二年向公眾公開發布氣候預測信息。我國是世界上最早開展氣候預測業務的國家之一,如果說天氣變化影響近幾天的安排,那么氣候預測則可以為更長時間的活動規劃提供依據。多年來,我國氣候預測團隊致力于推動預測技術和應用的發展,為制定國民經濟發展計劃和部署防汛抗旱、防災減災救災等決策提供科學支撐。今年“五一”,國家氣候中心氣候預測室榮獲了2022年全國工人先鋒號(集體)。

          新技術部分性能達到國際領先水平預測準確率穩步提升、接近上限

          最近,北京市大興區龐各莊鎮的頭茬西瓜上市了。瓜農王超的瓜棚里,西瓜長勢正旺。前幾天,王超看了國家氣候預測中心的預報,今年汛期雨水較往年偏多。連續降雨對西瓜各個生長時期都會造成很大影響。王超準備在排水和降濕上做點準備。“我們種地的最關心氣候,現在能及時知道氣候訊息,早做準備,比以前方便多了。”王超高興地表示。

          讓瓜農獲益的氣候預測過去稱為長期天氣預報。在氣候預報人員眼中,天氣預報和氣候預測有一個共同點——揣摩“老天爺”的脾氣。不過,想要把“老天爺”的脾氣摸準,氣候預測關注的時空范圍和面臨的難度更大一些。

          “天氣變化主要取決于大氣自身運動,重點關注大氣環流的演變和影響。”國家氣候中心氣候預測室副主任、正高級工程師劉蕓蕓表示,氣候預測不僅要關注大氣環流的變化,還要關注海洋等特征的演變和影響。這是因為氣候預測的對象都是10天以上的長時間尺度,而大氣中的異常信號往往只能維護一周左右的時間。而我國處于東亞季風區,季節和年際變率大,影響我國氣候的系統復雜,氣候預測的難度更大。

          準確率是氣候預測服務效率的重要指標。面對防災減災需求,預報信息越準、越早,越有利于減少災害損失。因此,多年來,氣候預測室一直在想方設法提高準確率。

          氣候預測的主要工具之一是動力氣候模式——通過量化大氣運動規律而建立一組物理機制模型。國家氣候中心副主任、正高級工程師肖潺表示,發展更為精細的氣候預測模式,更好地描述物理氣候系統,就有望做到更加精確預測。

          據劉蕓蕓介紹,我國的氣候預測模式經歷了第一代、第二代、第三代的發展過程。2021年,由國家氣候中心自主研發的第三代氣候模式系統實現準業務化運行,部分性能達到國際領先水平,實現了我國氣候預測自主核心技術的一大發展。

          “擁有自主研發的動力氣候模式系統,對我們的氣候預測業務來講是一個堅如磐石的支撐。一方面可以提高實時預測服務能力,另一方面使得我們的預測業務更加安全穩定。”劉蕓蕓表示,相對于第二代模式系統,第三代模式的水平分辨率和垂直分辨率都有明顯提高。

          圍繞提高準確率的目標,近年來,氣候預測室基于氣候模式,還建立了一些新的預測系統,并通過誤差訂正技術縮小了模式的預測誤差,也減少了氣候預測的不確定性,推動氣候預測準確率穩步提高。

          目前,我國氣候預測的準確率已達到70%左右。而對于氣候預測來說,準確率是有“天花板”的,從科學認知和可預報性的角度,一般認為,我國氣候預測準確率的上限是75%至85%。

          多學科技術成果運用兩三天完成的預測工作縮短至2到4小時

          現代天氣預報和氣候預測,均要以全國乃至全球觀測資料作為數值模式的初值,通過計算機代入初值對數學物理方程進行求解,進而計算出未來的大氣狀況。這個過程要用的數據量大得驚人,有的要用高速計算機“轉”好幾個月。

          中國氣象局國家氣候中心首席預報員、氣候預測室總工程師陳麗娟每天的主要工作內容就是利用計算機獲得大量觀測數據和模式預測數據,經過診斷分析以及各種預測方法,最終獲得最優的預測結果。1995年,陳麗娟研究生畢業后來到國家氣候中心工作,當時的氣候延伸期(11-30天)預報依靠的還是第一代動力氣候模式系統。

          “過去,延伸期預報依賴的大氣環流模式也是在計算機上運行,但只有值班室有幾臺終端顯示器,多數人都沒有電腦。”陳麗娟回憶起從前,那時,她經常做的工作是利用計算機終端提交模式作業、利用編程進行數據處理。但由于計算機存儲空間有限,所以陳麗娟必須經常將歷史數據用磁帶備份。

          “那時的數據磁帶塊頭大,可以用沉重來形容,但存儲量很小,和現在存儲介質相比差遠了,備份數據這種活兒更像是個體力活。”陳麗娟說,“當時國內能夠使用的動力氣候模式也很少,由于國際交流限制,也沒有國際互聯網,所以看不到國外模式的預測信息。受模式性能、監測數據歷史短以及大氣科學認知水平等的限制,當時對外發布的氣候預測準確率總體不高。”

          記者了解到,從客觀條件上來說,氣候預測的準確率和其他學科的科技進步密不可分,尤其是近年來我國超級計算機、互聯網、人工智能等新興技術學科的快速發展,讓我國氣候預測準確率呈現螺旋式上升的趨勢。

          劉蕓蕓表示,大氣科學是最早涉及大數據的學科之一,近年來人工智能技術也在很多領域獲得應用。對氣候預測來講,一方面,機器學習有助于提高氣候模式中的物理參數化過程;另一方面,利用機器學習等技術可以提高模式對降水、氣溫等變量的預測技巧。

          先進的設備和技術,讓陳麗娟和同事們如今的工作便捷了很多。

          “中國氣象局擁有國產的高性能計算機,每個預報員都有性能優越的臺式機,可以通過網絡方便訪問國家氣象信息中心管理的高性能計算機。互聯網和國際合作的快速發展,可以方便獲取國際上主流業務中心的動力氣候模式預測信息。”

          陳麗娟介紹說:“無論過去還是現在,雖然表面上預報員都是在利用計算機完成預報業務,但是計算機的性能,處理的數據量,面對的各種模式性能已經發生了很大變化。我們對氣候異常機理的認知也極大豐富了。不僅關注我國的氣候異常,還關注亞洲以及全球發生的氣候異常特征、成因和展望。”

          伴隨預測準確而來的還有高效。

          據劉蕓蕓介紹,目前,我國氣候預測依賴的方法由單一的模式轉向多模式以及動力—統計—機器學習多元技術的融合。例如延伸期尺度的預測,預報員獲得模式運行結果后,2至4小時就可完成數據處理、集成分析和預報圖繪制,當天即可發布產品。而以前受制于計算條件,模式每10天才可以得到一次運行結果,預測產品制作需要2至3天。

          氣象觀測站增加到2000多個  預報內容更加精細、更加豐富

          精細化也是體現氣候預測水平的一個重要指標。

          天氣、氣候是一個復雜的變量,就拿北京市來說,不同的城區和郊區的天氣和氣候特征經常會存在差異,有時候強降水在西部,有時候可能在北部。預報結果如果能夠精細到很小、很具體的空間,對政府防災減災工作和工農業生產指導將更有針對性。

          想要準確預測某一地方的氣候,首先需要知道這個地區的歷史氣候特征,因此數據采集很重要,早期需要依靠建設氣象站完成。近年來,我國的氣象觀測站迅速增加,這為氣候的精細化預報提供了條件。

          “早期對我國的降水和氣溫預測主要基于160個氣象站,這是因為建國初期到60年代,我國的氣象觀測站布局有限。目前,光國家氣象信息中心經過系統性質量控制的觀測站就有2000多個。氣候預測由以前的全國160站預報擴展至全國2000多站分縣預報。”劉蕓蕓告訴記者,“粗略平均的話,全國160站,相當于250平方公里范圍有一個站,大概是每四個城市有一個觀測站;而2000多個站,相當于50平方公里范圍內有一個觀測站。由于地理環境和人口密度不同,東部地區的站點比西部地區相對密集。”

          觀測站點多了,得到的數據也就更加詳實,更能真實反映局地氣候特征。

          陳麗娟舉了一個例子:“以前氣候預測,北京市只有一個代表站,無法代表北京復雜的區域特征。而現在,北京市有16個觀測站數據在預測業務中應用,我們可以分析這些觀測站歷史數據的特征和影響系統,還可以評估動力氣候模式對不同站點的預測能力,進行進一步的誤差訂正,從而獲得精細化、高技巧的預測結果。”

          除了氣象站的增加,近些年,衛星遙感數據的應用以及大數據等先進技術的應用,也讓氣候系統觀測的精細化程度進一步提高。

          陳麗娟表示,氣候預測室的業務自國家氣候中心成立以來不斷從時間和空間尺度拓展,預報對象也在不斷豐富。時間上,可以提供延伸期、月、次季節、季節、年際的預測;空間上,既可以精細化到縣級站,也可以拓展到亞洲甚至全球區域;預報對象從最初只包含降水、氣溫兩項指標,拓展到如今的全球海洋事件、關鍵環流系統、重要氣候事件,以及農林、能源、水利等需要的要素。

          近幾年,氣候預測由單純的面向政府的決策服務轉為面向用戶的決策服務和公眾服務。產品開始面向公眾是我國氣候預測能力提升的表現。“在這個轉變過程中,一方面感覺到預測壓力增大,尤其在全球變暖的背景下,極端事件頻發,很多研究成果和結論不能照搬照用。另一方面感受到我們預測工作的價值在增強。”陳麗娟說,隨著“雙碳”目標的提出,綠色能源在我國能源保障中的比例逐漸提高,而綠色能源涉及的風力發電等都和氣象條件密切相關。針對這種旺盛的能源生產服務需求,氣候預測室及時開發了風能、光能氣候預測產品,為能源系統提供氣象保障服務。還在環境領域初步建成大氣污染氣候監測預測業務系統,提供各月和季節大氣污染總體趨勢,為重大活動氣象保障服務提供科技支撐。

          編輯人員:陳浩文

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