NOAA試圖引領(lǐng)更深層的模擬合作

■ 賈朋群 薛建軍

進(jìn)入2021年，與NOAA在數(shù)值模擬方面相關(guān)的兩個(gè)動(dòng)作引起氣象界的關(guān)注：一是3月CCPP最新的5.0版本的推出；二是第二屆全鏈條模擬展示會(huì)在4月舉辦。兩個(gè)活動(dòng)具有內(nèi)在的聯(lián)系，似乎在提示氣象界：我們應(yīng)該像當(dāng)初先輩們建站網(wǎng)一樣，打牢數(shù)值模擬的基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)借助大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)，加快全鏈條協(xié)作模擬能力的提升。

2018年，當(dāng)全球?qū)OAA（美國(guó)海洋和大氣管理局）關(guān)注的焦點(diǎn)，是其下一代天氣預(yù)報(bào)模式FV3升級(jí)的進(jìn)程時(shí)，另外2項(xiàng)學(xué)術(shù)活動(dòng)，即最早在NOAA提出，后來NOAA與NCAR聯(lián)合研發(fā)的CCPP（通用物理包）的醞釀和推出，以及NOAA首創(chuàng)的“全鏈條模擬和展示會(huì)”首次在2018年召開。

1 CCPP：讓NOAA和美國(guó)其他機(jī)構(gòu)的模擬系統(tǒng)互通

最早在1950年由查尼等人開展的數(shù)值天氣模擬試驗(yàn)在美國(guó)最先獲得成功，之后的70多年在美國(guó)的不同機(jī)構(gòu)里開展了天氣和氣候模擬活動(dòng)。這些分布在NOAA和其他機(jī)構(gòu)（如，美國(guó)高校）持續(xù)開展、體量也不斷增大的模擬活動(dòng)，因機(jī)構(gòu)間差異也造成彼此的模式及組件并不兼容，不同機(jī)構(gòu)模擬研究者僅能在學(xué)術(shù)層面上交流，而將不同機(jī)構(gòu)領(lǐng)先的模擬技術(shù)打造成為一個(gè)最好的模式，或者說利用各家之長(zhǎng)組建模擬的“國(guó)家隊(duì)”模擬平臺(tái)，大有“且行且遠(yuǎn)”之態(tài)。

為了促進(jìn)NOAA內(nèi)外創(chuàng)新型研究快速業(yè)務(wù)化，在NOAA實(shí)施美國(guó)天氣預(yù)報(bào)創(chuàng)新法案，研發(fā)下一代全球模式的同時(shí)，NOAA最早在其國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過與NCAR等的合作，整合了針對(duì)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的物理參數(shù)和軟件框架，即通用物理包（Common Community Physics Package, CCPP）。正是因?yàn)镃CPP的推出，讓美國(guó)下一代模式很多細(xì)節(jié)的開發(fā)活動(dòng)，可以有大量NOAA以外學(xué)者通過競(jìng)標(biāo)參與：他們用CCPP兼容的語言、平臺(tái)和規(guī)范，可以與NOAA的下一代模式直接進(jìn)行對(duì)話，各家數(shù)值模式的互通，就此在NOAA的主導(dǎo)下，在美國(guó)拉開序幕。

2019年，NOAA和NCAR達(dá)成協(xié)議備忘錄，將合作開發(fā)CCPP框架，促進(jìn)模式和物理參數(shù)的互通性，作為兩家統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)（UFS）和大氣集成模式系統(tǒng)（SIMA）的一部分。這一舉動(dòng)，朝著將各家模擬活動(dòng)用統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)“統(tǒng)一”起來的方向發(fā)展。

所謂的“統(tǒng)一”并不是建立適用于所有應(yīng)用場(chǎng)景的龐大模式系統(tǒng)，而是著力構(gòu)建允許在不同模式之間交換組件的軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，涉及模式系統(tǒng)的大多數(shù)甚至全部組件，其核心內(nèi)容之一就是實(shí)現(xiàn)跨不同模型的物理參數(shù)化的互操作。在NOAA下一代全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NGGPS）計(jì)劃資助下，作為全球模式試驗(yàn)平臺(tái)（GMTB）工作的一部分，CCPP應(yīng)運(yùn)而生。

CCPP項(xiàng)目的概念雛形可追溯自地球系統(tǒng)預(yù)測(cè)能力（ESPC）物理互操作性研究組的工作設(shè)想，隨后由NOAA環(huán)境模擬中心（EMC）和地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（GFDL）的研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)這樣的設(shè)想進(jìn)行了完善和發(fā)展，結(jié)合NOAA模擬活動(dòng)的要求，CCPP成為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，促進(jìn)天氣氣候模擬中的“物理創(chuàng)新”的借助平臺(tái)，該平臺(tái)用統(tǒng)一的語言，發(fā)展物理參數(shù)化方案，實(shí)現(xiàn)加速模式創(chuàng)新和研究業(yè)務(wù)化。

從V1.0（2018年4月）到V5.0（2021年3月），CCPP始終提供開源代碼并通過GitHub自由分發(fā)。其架構(gòu)主要由包括一個(gè)符合特定標(biāo)準(zhǔn)的物理參數(shù)庫（CCPP-Physics）和一個(gè)借助元數(shù)據(jù)信息和標(biāo)準(zhǔn)化接口將物理參數(shù)與宿主模式相連的基礎(chǔ)框架（CCPPFramework）兩個(gè)部分組成。按照計(jì)劃，CCPPPhysics由NOAA主導(dǎo)，它將囊括NOAA當(dāng)家模式系統(tǒng)——UFS的大氣模塊中已業(yè)務(wù)應(yīng)用和正在開發(fā)的物理參數(shù)和套件以及NCAR和其他組織（如美國(guó)海軍）的物理參數(shù)。CCPP-Framework則由NOAA和UCAR合作開發(fā)。此外，CCPP還提供一個(gè)單列模式（CCPP SCM）作為診斷物理參數(shù)（套件）的性能的重要工具（圖1）。

CCPP的跨部門模擬能力的“打通”和融合能力，將為數(shù)值模式系統(tǒng)的物理參數(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新型研究業(yè)務(wù)化提供敏捷環(huán)境。在期望的CCPP生態(tài)系統(tǒng)中，CCPP在解決模式組件“兼容性”的基礎(chǔ)上不僅提供更加可靈活的跨模式建模方案，還將搭建創(chuàng)新從研究到業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)化（R2O）業(yè)務(wù)到研究的反饋（O2R）的通道，彌合研究與業(yè)務(wù)的“脫節(jié)”，推動(dòng)研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)新成果向業(yè)務(wù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化并在應(yīng)用中不斷改進(jìn)研究成果。可以預(yù)見，隨著CCPP-Physics和CCPPFramework代碼的集合向全世界的用戶和研究開發(fā)者的提供，將會(huì)提高從業(yè)者專注領(lǐng)域的工作效率，降低參與者的技術(shù)門檻，打開廣泛參與的大門，這些改變將加速模式之間知識(shí)的增加，技術(shù)的改進(jìn)和轉(zhuǎn)移。這也被認(rèn)為是NOAA下一代全球預(yù)測(cè)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵因素。

圖1 CCPP概念圖及已發(fā)歷史版本（a）、CCPP生態(tài)系統(tǒng)示意（b）、CCPP框架與宿主模式示意（c）和CCPP 5.0物理參數(shù)套件（d）

2 NOAA的全鏈條模擬活動(dòng)

與CCPP的“打通”思路一致，2018年NOAA創(chuàng)辦了首屆“全鏈條模擬和展示會(huì)”。如果說CCPP意在聯(lián)通NOAA以外的模擬技術(shù)與資源，為NOAA打造世界上最先進(jìn)的模式發(fā)力，那么全鏈條模擬的提出，則瞄準(zhǔn)了模擬內(nèi)容上的廣度。在全球地球系統(tǒng)模擬的理念逐步在建立的背景下，NOAA攜旗下有世界上最寬泛的地球系統(tǒng)機(jī)構(gòu)（包括大氣、海洋、生態(tài)、漁業(yè)等）及相關(guān)的模擬團(tuán)隊(duì)之優(yōu)勢(shì)，提出全鏈條模擬的理念，盡管其中的“general”與實(shí)際地球系統(tǒng)中的要素尚有不小的差距，但對(duì)于NOAA而言，這絕對(duì)是其“耦合”更多的與天氣氣候相關(guān)系統(tǒng)的最大范圍，這樣的思想，一方面能讓數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)面向更多的延伸應(yīng)用；另一方面，無疑是讓大氣科學(xué)實(shí)現(xiàn)“機(jī)理制+應(yīng)用”的“雙循環(huán)”發(fā)展的重要方向。

實(shí)際上，我國(guó)氣象界對(duì)NOAA相對(duì)知曉較少的領(lǐng)域，模擬活動(dòng)也一直在不斷發(fā)展中。如果說NOAA旗下的國(guó)家海洋局（NOS）的模擬平臺(tái)和基于模式產(chǎn)品提供的服務(wù)（圖2）很多人相對(duì)熟悉的話，美國(guó)漁業(yè)局因?yàn)榕c美國(guó)就業(yè)崗位和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值密切相關(guān)，模擬活動(dòng)開始的時(shí)間更早些（圖3）。可以試想，所謂全鏈條模擬，在NOAA的語境下，或者可以用天氣氣候串聯(lián)起更多的要素：沿海航線、沿海生態(tài)、有害藻類、海面高度。

圖2 NOS（國(guó)家海洋局）業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式框架（a）和提供的服務(wù)（b）

圖3 美國(guó)漁業(yè)局涉及的美國(guó)就業(yè)崗位（a）和產(chǎn)值（b）和開展模擬活動(dòng)的時(shí)間表（c）

實(shí)際上，這些模擬活動(dòng)除了需要在理論上創(chuàng)新和取得突破，用觀測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施確保模擬活動(dòng)也是重要一環(huán)。三面臨海的美國(guó)尤其注意沿海和河道的監(jiān)測(cè)（圖4），這里既是模擬的關(guān)鍵區(qū)，更是商業(yè)活動(dòng)和基于模擬提供服務(wù)的主戰(zhàn)場(chǎng)。隸屬于美國(guó)商務(wù)部的NOAA，在這樣的優(yōu)先領(lǐng)域里，肯定要全力促進(jìn)能力的提升。

圖4 NOAA在沿海、河道部署了多平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 小結(jié)：數(shù)值模擬需要更高標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施

如果說主要限于NOAA內(nèi)部參與的，主要包括海洋、漁業(yè)等模擬活動(dòng)與天氣、氣候模擬相互融合，提升跨學(xué)科模擬與應(yīng)用能力的全鏈條模擬和展示會(huì)，讓NOAA內(nèi)各機(jī)構(gòu)的模擬活動(dòng)相互借鑒；那么，CCPP的推出則是在更大的范圍里，引領(lǐng)NOAA與學(xué)界NWP模式的互通。兩個(gè)活動(dòng)含有的common和general，都指向內(nèi)外“共享”，顯然是在強(qiáng)調(diào)為了讓業(yè)務(wù)吸納更多的創(chuàng)新，搭建公用的基礎(chǔ)設(shè)施。這樣做的一個(gè)可期結(jié)果是，NOAA的預(yù)報(bào)系統(tǒng)的未來某個(gè)升級(jí)版，將會(huì)是NOAA內(nèi)部機(jī)構(gòu)、NCAR、高校等眾多模式重最優(yōu)部分的合成版本，模擬國(guó)家隊(duì)產(chǎn)品就此有了。這一跡象實(shí)際上早在FV3引領(lǐng)的業(yè)務(wù)模式系統(tǒng)升級(jí)時(shí)就已顯現(xiàn)，而CCPP讓這個(gè)統(tǒng)一模式互操作接口的思想落地。

業(yè)內(nèi)專家普遍認(rèn)為，人工智能一旦在某個(gè)領(lǐng)域擊敗人類，這種擊敗就是不可逆轉(zhuǎn)的。這個(gè)結(jié)論的證據(jù)，不僅存在于棋類博弈的實(shí)戰(zhàn)中，在氣象領(lǐng)域也是一樣。在很重要的科學(xué)內(nèi)涵上，NWP即是人工智能的天氣預(yù)報(bào)，它在1950年取得成功后，發(fā)展了短短10年左右就在整體上超過了預(yù)報(bào)員的主觀預(yù)報(bào)，并且越來越多地拉大了與預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)技巧的差距。本文介紹的CCPP和全鏈條模擬理念，或許能進(jìn)一步強(qiáng)化以物理動(dòng)力為依據(jù)的NWP能力并加快走向地球系統(tǒng)模擬。