沈学顺院士：让我国自主数值预报系统算得更准更快

本刊特约记者   赵晓妮

数值天气预报是20世纪最重大的社会与科技进步之一。2015年9月，《自然》（《Nature》）期刊中写道：“数值天气预报是所有物理科学中影响最大的领域之一。作为一个计算问题，全球天气预报类似于人脑和宇宙早期演化的模拟，并且每天都在世界各地主要的业务预报中心运行。”

这是一项了不起的成就。在人类生活的世界，或许没有其他预测未来的工作取得像气象领域这样的进展，更何况是面对如此复杂多样的自然变化。

100多年前，数值预报的先驱英国人路易斯·弗莱·理查森，在《用数值方法预测天气》中讨论湍流时写下一首小诗：“大漩涡里有小漩涡，它们以速度为食；小漩涡里有小小旋涡，它们以黏度为食。如此继续。”这是为了描述数值预报的复杂性，感叹其用数学建模方法时有多么困难。

100多年里，无数科研工作者毅然踏上数值天气预报的研发之路，攻坚克难，砥砺前行。

中国工程院院士、国家气象创新工程及中国气象局天气气候一体化模式重点创新团队首席科学家、中国气象局地球系统数值预报中心首席科学家、中国气象学会数值预报专业委员会主任沈学顺，就是其中之一。

沈学顺说，数值预报就是气象部门的核心科技，是气象领域的“芯片”，倾注毕生心血也无怨无悔。

人生道路与中国新一代数值天气预报系统自主开发事业交汇

数值预报是什么？

在新成立3年的中国气象局地球系统数值预报中心，沈学顺说：“很简单，就是用计算机算天气。以前大家都是看天气图，用统计的办法做一些推理，然后去预报，就像中医号脉一样，现在则是在计算机里基于数学物理方法客观定量计算未来天气演变。”

逻辑线很简单，但要做到这件事，并不简单。

人类试图预测天气的源流可以追溯到几千年甚至万年前，但如果基于科学的基础预测天气，则是100多年前开始的。那时，许多对科学有热情的探索者们爆发了对气象的热情，纷纷投入到这份尚未完全显示出宏大前景的事业中，数值天气预报的概念酝酿而出。

从20世纪50年代试验成功，到20世纪70年代发展应用，在多年稳步持续的科学认知和技术进步的积累之上，数值天气预报已经成为一个跨学科的复杂而严格的系统性工程，这使得天气预报也从传统的以统计和经验为主的天气图方法转变为客观定量的科学。

中国的数值预报天气研究始于1954年，我国是国际上较早开展数值天气预报的国家之一。许多让后辈们崇敬的老一辈气象科学家，都为我国数值预报发展作出贡献，也取得了在国际有广泛影响的成果。

从20世纪70年代后期开始，中国进入自主研制数值天气预报模式的热点时期。到“七五”期间，以从欧洲中期预报中心（ECMWF）引进的全球谱模式为核心，在国家气象中心院士李泽椿领导下，我国在国产银河大型机上建立了T42L9全球预报系统，于1991年投入业务运行。20世纪90年代到21世纪初几经升级（后称为T系列），支撑了中国的预报业务与服务。

20世纪末至21世纪初，中国气象局作出未来数值天气预报业务发展技术路线由引进为主转为自主开发为主的重大决策，开启了中国新一代数值天气预报系统的自主开发工作。

此时，青年沈学顺的人生道路与这项事业交汇。在大学里，沈学顺第一次接触到数值预报。1983年，沈学顺被兰州大学地质地理系录取，攻读气象学专业。4年后，凭借每个学年专业第一的优异成绩，沈学顺被推免至兰州大学大气科学系攻读天气动力学专业硕士学位。选什么专业方向呢？“感觉到自己想做一些有挑战性的东西。”最终，他选择数值预报方向，“觉得很有发展前途，用计算机能够把天气算出来，还是很神奇的。”

1992年，怀着对知识的无限渴求，沈学顺踏上前往日本求学之路。毕业后，他在东京大学气候系统研究中心担任助理研究员、文部教官。

2001年，时任中国气象科学研究院院长张人禾到日本参加一个学术研讨会，沈学顺得知，中国气象局成立了数值预报创新基地，要自主研发数值预报系统。张人禾征询沈学顺意见，问他愿不愿意回国参加数值预报系统研发。

“我说这是好机会！后来就这样回来了，很简单。”沈学顺放弃了在日本的安逸生活，“主要还是作为一个中国人最朴素的感情，想回来为国家做点事情。”

走在一条正确的道路上

2002年，回国之后的沈学顺来到新的路口——这同样是中国天气数值预报之路的新交叉口。

我国在20世纪80年代末到90年代初建立起数值天气预报业务，但数值模式系统的主体框架由国外引进。与发达国家相比，我国数值预报水平在模式的性能、资料同化、模式预报准确率等方面均存在较大差距。

每个学科、每个行业，都有自己的核心科技。“核心科技体现了我国整体科技实力，靠各个行业的科技实力一点一点地累积起来，构成整体力量。”沈学顺解释说，数值预报就是气象部门的核心科技，是气象领域的“芯片”。

“我们要有能力，把我们国家自己的数值预报做好。”简单一句话，背后却是不简单的长远考量，“这是气象部门的核心科技，掌握在我们自己手里，相当于我们国家具备了这一方向的科技实力。”

自2002年10月起，沈学顺担任中国气象局数值预报创新基地首席研究员，那时该基地不过一二十人。他们将全力推进研发我国自己的新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统，即GRAPES模式（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System，后发展更名为CMA模式，也就是中国气象局模式）。

如何在深入理解和借鉴国外先进经验的基础上，搭建适合我国国情的数值预报系统，是GRAPES模式研发之初面临的重要问题。在中国气象局数值预报创新基地创立之初，薛纪善、陈德辉等前辈开展多方调研，充分考虑了计算机发展等前沿趋势，选择了合适的技术路线。

大的技术方案已经确定，“最优先考虑的是先把模式转起来，有些技术方案的核心问题能够解决得扎实一点。”沈学顺团队的目标非常明确。

各关键环节计算方案的推敲、试验、验证贯穿于承担任务各小组的整个研发过程中。有时，仅仅一个微小的细节问题就可能导致模式整体性能下降，甚至导致全部过程推倒重来，而团队始终没有动摇。

团队骨干张林从2004年开始在沈学顺带领下开展工作，“与引进、消化、吸收的路径相比，自主研发路径虽然起点较低，但每一步都是自己走的，我们清清楚楚地了解其中的问题，包括优点、缺点和改进的方向，而且只有掌握自主技术研发能力，才能实现可持续发展”。

最大的支持来自中国气象局党组始终坚定不移坚持自主研发的决心。在沈学顺看来，中国气象局党组的支持如同定海神针，对稳定整个团队的信心起到了非常重要的作用。2006年，GRAPES区域数值预报业务系统（GRAPES-Meso）正式投入业务运行，这意味着从模式到同化、有限区/全球一体化的研究与业务通用的数值预报系统成功建立，促成了我国数值预报模式成功研发。2007年7月，GRAPES模式的研发全面进入全球模式系统发展阶段。

他们坚信，自己正走在一条正确的道路上。

坚持不懈，迎来了丰硕收获

数值预报模式要用来做预报，要时刻接受天气的检验——这必然不是一项仅停留在案头的工作。

2010年，中国气象局数值预报中心成立，作为国家气象中心的组成部分。目的很明确，就是打通数值预报自主研发、应用、改进、发展的良性循环。

“当时瞄准的就是全面业务化。”沈学顺当时任该中心副主任和首席科学家。

数值预报的研发涉及科学和技术的不断进步和相互促进，是一个科学技术的交叉积累过程。这是一条从踏上就注定需要走过漫漫征途的长路。如果没有坚定的信心，又如何能一路跋涉？

团队骨干韩威2005年加入数值预报自主研发队伍，所有努力都是为了让卫星资料在模式中能“用得上”。到2016年，12年里，他的文章和“成果”几乎为零。其间，曾有国外机构给他发出一份让人心动的工作邀约。但他放弃了这个机会，因为当时GRAPES全球同化预报系统的发展正处于关键时期。

“研发长周期的数值天气预报系统工程，如同长征，即使在最困难的时候，我也没有想过放弃，但确实做好了‘牺牲’的准备。”数年后，韩威应邀在大学校园向年轻学子分享科研经历时坦陈，“我选择坚守GRAPES研发阵地，一步步扎扎实实做好业务化工作。”

2008年，GRAPES全球四维变分同化系统研发工作启动。这是提高全球数值天气预报水平的关键技术之一，该领域在国内尚属空白，缺少技术积累和知识储备。在很长一段时期里，沈学顺与团队成员一边探索基础理论，一边进行各种研发调试。

坚持不懈，迎来了丰硕收获。

2016年，正式业务化运行并面向全国下发产品的GRAPES全球预报系统，被视为我国数值预报技术体系实现国产化的重要标志，也宣告我国基本掌握了从全球预报到区域高分辨率预报的系列数值预报核心技术。

2018年，全球四维变分同化系统实现业务化，我国进入资料同化技术主流行列，成为继欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、法国、英国、加拿大和日本之后，全世界第六个自主建立四维变分同化系统的业务中心。

2019年和2020年，该系统连续完成了业务系统升级。这些工作不仅显著提高了我国全球中期数值天气预报水平，而且大大缩小了我国在该领域与国际领先水平的差距。

每一天，数值天气预报产品都在被广泛应用和检验。目前，团队建立了全链条0至15天无缝隙数值天气预报业务平台，为各级气象台站和水利部、生态环境部等部门提供预报产品支撑，有力支撑防灾减灾第一道防线；中国气象局全球数值预报系统作为世界气象中心（北京）的核心支撑，对“一带一路”沿线多个国家和地区提供气象灾害预报预警产品；提供远洋导航所需全部国产数值预报产品，具备了自主全方位服务保障国家重大战略的能力。

2021年，中国气象局统一规范数值预报业务模式命名，气象部门数值预报业务模式中文全称统一加冠“中国气象局”，英文缩写前缀变更为“CMA-”。“我们的责任和义务就是把它做得越来越好，让它代表中国这方面的品牌。”沈学顺说。

新一代大气数值模式研发的路线图和时间表已经明确

今年3月19日，中国气象局下一代大气数值模式正式发布。该模式采用完全自主的动力框架算法——多矩约束有限体积方法（MCV）为基础算法，进一步提升全球公里级和区域百米级尺度数值预报的精度，显著减小全球天气气候一体化模式误差，且该模式面向最新高性能计算机体系设计的软件框架，具备10万核高可扩展性，可充分应用最新超级计算机的并行计算性能。

2021年9月30日，中国气象局地球系统数值预报中心成立。“成立这个中心，也是中国气象局党组看准未来数值预报不仅是数值天气预报，要更好地精细服务各行各业，必须发展地球系统数值预报技术。”时任中国气象局地球系统数值预报中心副主任沈学顺说。

新的时代潮流不断涌入数值预报的河流，百年前的涓涓细流，如今已成大江大河，奔涌向前。近年，人工智能迅猛发展，其在气象领域的应用备受关注。沈学顺和团队在关注、在推进研究，“天气预报或气候预测业务，需要实现3个目标，一是算得准、二是算得快、三是算得久。那么，人工智能怎么嵌进去，在提高计算精度等方面如何发挥作用，都是我们需要思考和探索的。”

办公室门外的走廊上，新一代大气数值模式研发的路线图和时间表已经挂出来。

或许在沈学顺的脑海中，也有大漩涡、小漩涡，小漩涡里有小小旋涡，它们平静又澎湃，勾勒出理想中的数值预报。畅享10年以后的数值天气预报，沈学顺充满信心和期待：“模式的分辨率会很高，计算机会算得更快、算得更准，整个系统会更稳定，肯定比现在数值预报的能力要上一个大台阶！”

原文刊载于2024年第24期、11月25日出版的《民生周刊》杂志

原标题：《让我国自主数值预报系统算得更准更快》