■NGGPS项目经过两个阶段严格测评，从6个候选模式中选出FV3作为美国下一代天气预报模式的动力核心模式。        

■基于FV3的新预报系统将改进8到10天以上预报的准确性；对飓风路径和强度给出更好模式预报；将天气预报延伸至14天。        

■未来，数值天气预报产品将像电子地图一样，能按需提供分辨率更高的细节。        

7月27日，美国国家海洋和大气管理局 （NOAA） 宣布，将以NOAA地球流体动力学实验室（GFDL） 开发的FV3（Finite-Volume on a Cubed-Sphere立方球有限体积）模式为预报系统新的动力核心模式，并在3年内开发出下一代预报 系 统。下 一 代 全 球 预 报 系 统（NGGPS） 项目仍将沿用目前系统的名称，被称为全球预报系统（GFS）。但2018年以后推出的全新GFS将具备更多体现下一代模式的高性能。从现在开始的3年内，新GFS模式的研发将是NOAA乃至美国全国优先开展的重要科技创新活动。        

从“6选1”的PK中胜出    

NGGPS项目2014年开始实施，目标非常明确：研发美国下一代天气预报模式。NGGPS项目没有从零开始，而是聚焦模式系统关键部件——动力核心模式，在2014年末选定了6个候选模式。经过第一阶段严格评测，该项目选出NCAR研制的MPAS（跨尺度预报模式）和GFDL的FV3模式，进入“决赛”阶段。最终，FV3胜出，下一代预报系统研发全面启动。       

FV3的最终胜出，得益于该模式优良的特性。作为NOAA重要的实验室之一，GFDL研发的FV3模式上个世纪90年 代 中 期 从 美 国 国 家 航 空 航 天 局（NASA） 的 戈 达 德 空 间 飞 行 中 心（GSFC） 引入，早期多用于大气化学模拟和气候模拟。经过多年开发，FV模式第3个版本，即FV3，最重要的特征之一是采用拉格朗日垂直坐标，使其既保证了准确性，又能在计算有效性方面独树一帜，高于对手。例如，在“决赛”一项性能基准测试中，FV3效率得分96.9%，高于对手的63.5%。因为高性能和相对简单的模式结构，FV3与对手的人力投入比为45:70，计算机能力增加比为28%：288%，在成本测试中全面胜出。在模拟准确性和计算有效性上的优势，使得FV3被认为能以目前业务模式还不能达到的更高分辨率对云和风暴过程进行模拟，从而在下一代模式体系中，很好地改进对小尺度天气特征的描述。        

这意味着，基于FV3的未来预报系统在每6小时做出全球预报的同时，还能针对一些天气事件提供局地预报。该系统将具备“放大”功能，通过局地更高分辨率的计算，让预报员看清风暴演变的更多细节。未来，数值天气预报产品将像电子地图一样，能按需提供更高分辨率的细节。这一新功能可以让有限的计算能力集中在预报员特别关注区域预报量的输出上。        

根据NOAA的声明，基于FV3的新预报系统，将致力于改进8到10天以上预报的准确性；对飓风路径和强度给出更好的模式预报；天气预报延伸到14天，激烈天气预报提前3到4周。与当前预报有效时间一周左右的极限相比，这是一个巨大的挑战。但是，针对飓风和强风暴等极端天气，如果可预报时间能进一步提前至3周以上，就能让未来强天气灾害防御的准备时间更宽裕。        动力核心模式已经确定，下一代GFS模式研发将步入快车道。NOAA研发人员将组织大量的试验、分析和验证工作，与预报系统相关的其他部分，如耦合算法、数据同化和验证等，也将在新的软件平台上实现。        

争议也可能带来正能量    

NOAA宣布FV3胜出的同时，也指出另一个竞争模式MPAS的两大不足：在实际模拟中处于下风，无法模拟飓风眼，计算能耗和时耗更多。        

争议也围绕着这样的结果出现，特别是在动力核心模式“决赛”前更坚信NCAR杰作MPAS会胜出的NOAA体系外学者，表达了更多不满和失望。        

美国华盛顿大学克利夫·马斯坚持认为，MPAS要优于FV3，前者更适合对流风辨率（格距在4千米以下）模拟。下一代模式的分辨率都是在这样的量级上，NOAA的选择很难说是着眼于未来。针对FV3在计算有效性上的优势，马斯认为，MPAS具有更高的有效分辨率，允许一些计算用粗糙分辨率进行而得到同样结果，所以两个模式计算速度的差异实际上不存在。马斯特别指出，NOAA 选择的一个关键因素是MPAS由NCAR研制，这可能意味着气象部门与体量巨大的美国学术界划清了界限。NOAA的选择会让欧洲人暗笑，因为据他所知，欧洲目前研制的模式和MPAS很像。        尽管马斯言辞激烈，但他表示，动力核心模式仅是预报系统中的一小部分。在整个系统的研发上，NOAA仍需也一贯表示要借助美国学术界的强大力量。下一步的测试将更加真实，所有人仍都有机会。马斯善意提醒NOAA当局，如果资源允许，可以尝试平行开发两套全球模拟系统。美国气象部门走出去到学术界开发整个系统，系统预报试验之间的“硬对话”才能把机会给予真正的好系统。        

还有科学家指出，模式开发以外的工作具有重要意义，如计划升空的GOES-R 卫 星 能 提 供 更 好 的 数 据，NASA需要加大在地球观测上的投入等。        

重夺预报模式世界第一  

借助NGGPS开发，美国气象界，尤其是作为美联邦气象部门核心的国家环境预报中心（NCEP），在模式研制基线、标准和业务环境等方面进行了诸多着眼于未来的深层次准备。美国气象局作为业务研发和应用部门，第一次成为“招标”方，具有了“吸铁石”作用。NGGPS计划也许能为全球下一代模式的统一技术平台提供范本。        

据了解，NGGPS除了在动力核心上最终采用其“内部”国家实验室模式其他已有模式外，其他部分依然以NCEP的EMC（环境模拟中心） 研发为主。学术界的研发结果和方案更多地通过“招标”方式被NCEP引入开发队伍，但引入的前提是由开发团队提供思想，再借助目前NCEP的业务环境实现。        

事实上，NWS在实现气象现代化后，雷达资料和卫星等观测数据成为美国气象观测网的重要补充，使得NWS引 领 的 研 究 社 区（NWS-ledcommunity） 业已形成。这样的研究圈子除了联邦机构，还包括实力强大的美国高校 （如NCAR）和企业，研究氛围也很独特。而NGGPS项目借助美国联邦 政 府 立 法，号 召 力 已 经 超 越 了NWS，甚至NOAA，成为美国气象界的共同目标。NWS和NOAA既是参与者，也是组织者和审定者。        

NWS还将NGGPS作为NCEP核心能力建设的重要组成部分。借助该项目，NCEP将建设统一的编程开发（community code develop） 环 境，在NCEP建立技术层面上的统一模拟能力。        

此外，模式的整体框架将重新搭建，以适应最新HPC （高性能计算）的架构，如CPU/GPU混合或大规模集成核心（Massively Integrated Cores，MIC），充分发挥新设备在模拟运算中的优势。        

而这些，都成为美国气象部门欲借助NGGPS重夺世界第一的底气。在世界各国频繁使用“下一代”标榜其技术进步时，NGGPS真正启动了“下一代”模式的研发，这或许是又一个重要的气象基础业务能力换代计划。NGGPS预计将于2018年完成，2019年投入业务应用，成为NWS的“当家模式”，服役至21世纪中期。   

在关键天气事件中，FV3具备“放大”能力。如图所示，当飓风袭击美国西南部时，该模式的分辨率能够被放大。而地球另一面因为不需要过多关注，所以分辨率相对较低。由此，我们能够针对全球重点区域、潜在危险风暴以比较经济的方式获得更高的分辨率。

作者 : 贾朋群