GRAPES：十年磨一剑

管成功

我们日常的天气预报就是预报一个地方未来某个时刻的大气状况（包括温度、风速、风向、湿度和气压）和天气现象（晴、多云、雨、雪等）。以前，人类只能通过观察当前的天气现象结合经验来预测未来的天气状况，如“朝霞行千里，晚霞不出门”等。后来，随着科学技术的发展，数值天气预报也应运而生，并且在人们的日常生活中发挥着重要作用。

初识数值天气预报

大气是一种流体，它的基本运动遵循着流体力学基本理论。气象学家们通过对大气运动所遵从的流体力学和热力学的基本定律进行理论推导，得到了一组关于大气状态变量的偏微分方程，包括运动方程、热力学方程、连续方程、状态方程和水汽方程，他们称其为大气运动的基本方程组。在已知大气的当前状态与大气周边的环境条件（前者为初始条件，后者为边界条件）下求取方程组的近似数值解，就是数值天气预报。

数值天气预报为人类能够预测未来更长时间的天气提供了科学上的依据，天气预报水平也因数值天气预报的出现而得到大幅度的提高。数值天气预报在应用上分为理论研究和业务应用，我们日常为气象预报和服务提供重要支撑的是业务数值天气预报，业务数值预报系统每天24小时都在运转，并在特定时刻启动未来天气的滚动预报，生成预报产品。

GRAPES的诞生

20世纪90年代初，中国气象局从世界最先进的数值天气预报中心—欧洲中期天气预报中心引入了T42、T63、T106、T213系列数值预报系统，并在2008年自行升级到T639，使我国成为了世界上少数几家能够提供全球1～10天预报产品的国家。

1999年，中国业务数值天气预报走上自主研发之路，我国自主研发的数值预报系统有个很好听的英文名字“葡萄”，即GRAPES，它的英文全名是Global-Regional Assimilation and Prediction System，即全球區域同化预报系统。GRAPES包括了同化和模式两大核心模块，根据应用领域不同又衍生了GRAPES-MESO（中尺度模式）、GRAPES-GFS（全球模式）和GRAPES-TYM（台风模式）等系统。然而，真正能代表我国自主研发的业务数值预报技术能力的当属GRAPES全球数值预报系统。

数值天气预报的来龙去脉

因数值天气预报是一个在计算机上进行计算的问题，所以需要有规则的数据排列和整齐划一的数据单位。

预报时，首先要将覆盖在地球表面的大气进行网格化处理，这就如同将地球从地表面向上直到对流层顶，盖上若干层有规则的、相互间有一定距离的网。按照一定数学规律，GRAPES给地球覆盖了水平网格距为25千米的大网，从地面到大气平流层底（大约35千米）一共铺设了60层，使地球大气形成了一个无形的巨大的网格空间。然后，利用资料处理技术将来自全球的各种气象观测工具获得的观测资料，如地面观测站、探空观测、雷达观测和卫星观测等，合理分布到每一个网格点上，从而获得某一个特定时刻与真实大气最为接近的三维网格分布。

当每60层网格点上都有数据后，我们就拥有了一个非常规则完整的大气状态，从而为进行数值计算提供了必要的初值条件。下一步就是采用已经离散化处理的大气运动方程组估算各个网格点上下一个时刻的大气状态。在国内外众多模式中，GRAPES采用的理论方法如垂直坐标的选取、水平网格的选取、数值计算的稳定性、精度，质量和能量守恒性等方面，均较为先进。

GRAPES的时间积分采用的是国际流行、先进的半拉格朗日积分方案，其积分时间间距灵活性较大。在目前0.25度分辨率下，每次积分间距是5分钟，拿全球10天预报来说，就是要积分2880次才能完成。为了满足天气预报业务需求，如此大的计算量和数据存储量需要非常高性能的计算机才能在有限时间内完成。

在完成大气运动方程的积分后，还需要考虑外界对大气的影响，引起大气要素的改变，如太阳辐射、地面和海洋对大气的热力学影响，以及降水等相态变化带来的影响。这时，GRAPES系统中另外一个重要部分—业内人士称之为物理过程—开始发挥作用。物理过程包括大气辐射、边界层、陆面过程、云过程等方面，主要是热力学属性的变化对大气状况的影响。在大气运动学计算完成后，GRAPES会根据一些科学参数方法将物理过程的热力学贡献增加上，同时对天气现象进行计算，如在一个时间间隔内下了多少雨、天空云量分布等，这样就完成了1步的时间积分。如此重复2880步，就完成了未来1～10天的预报。

（责任编辑/岳萌  美术编辑/胡美岩）endprint