美國統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)展和展望

唐偉 于丹 肖芳 賈朋群

（中國氣象局氣象發(fā)展與規(guī)劃院，北京 100081）

0 引言

地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展是國際研究熱點(diǎn)，歐美等發(fā)達(dá)國家紛紛對(duì)未來5～10 a模式的研發(fā)和業(yè)務(wù)化提出明確目標(biāo)，并都強(qiáng)調(diào)了業(yè)務(wù)人員和研究人員共同攻關(guān)的重要性。如在研究機(jī)構(gòu)眾多的美國，采用的是政產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)方式。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）借助其下一代全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式（NGGPS）研發(fā)計(jì)劃，提出了統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)（UFS）[1]建設(shè)。實(shí)際上，統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)這個(gè)概念并不是美國首創(chuàng)，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IFS）[2]，英國氣象局的統(tǒng)一模式（UM）[3]，包括我國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)[4]，都提出了綜合一體化的基礎(chǔ)架構(gòu)，這樣不同的應(yīng)用可以在一體化模式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)[5-6]統(tǒng)一。UFS還是一個(gè)社區(qū)模式，采用“眾籌”式的開放創(chuàng)新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了以NOAA業(yè)務(wù)應(yīng)用為主導(dǎo)，由政產(chǎn)學(xué)研協(xié)同研發(fā)數(shù)值預(yù)報(bào)模式。NOAA期待著借由UFS保持（或者說重回）其世界“領(lǐng)先”水平的預(yù)報(bào)能力。NOAA的做法為我們提供了他山之石，可供借鑒。

1 美國統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)展

1.1 從“鐵板一塊”轉(zhuǎn)向開放式的社區(qū)模式

多年來，NOAA的數(shù)值預(yù)報(bào)模式因像“鐵板一塊”外部很難介入而廣受詬病，尤其是美國高校學(xué)者多次公開批評(píng)NOAA，稱其模式水平已經(jīng)墜入世界“第二集團(tuán)”。因一直以來NOAA和其他學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立開發(fā)數(shù)值預(yù)報(bào)模式，導(dǎo)致不同機(jī)構(gòu)間的模式和物理參數(shù)化無法進(jìn)行交互、對(duì)比和驗(yàn)證，阻礙了美國數(shù)值模式發(fā)展[7]。如NOAA的全球天氣預(yù)報(bào)模式（GFS）最初在20世紀(jì)70年代后期編寫，其程序是為當(dāng)時(shí)的特定操作系統(tǒng)IBM AIX和NOAA當(dāng)時(shí)擁有的硬件架構(gòu)編寫的，沒有設(shè)計(jì)成供外部使用或支持外部使用，因此無法在其他硬件上運(yùn)行。此外，因?yàn)槿狈τ脩糁С治臋n，GFS的程序就像一個(gè)復(fù)雜的代碼迷宮。這個(gè)障礙的結(jié)果是加劇了NOAA和學(xué)術(shù)界其他機(jī)構(gòu)互相并行而不協(xié)同的發(fā)展，雖然各方有著不同的動(dòng)機(jī)和使命，但都認(rèn)為對(duì)方為了競爭有限的聯(lián)邦資金而重復(fù)勞動(dòng)。2014年以來，UFS的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)范式轉(zhuǎn)變，UFS將NOAA的預(yù)測(cè)模型套件從許多獨(dú)立的系統(tǒng)簡化為一個(gè)統(tǒng)一的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并提供多個(gè)應(yīng)用軟件。

2014年10月，NGGPS項(xiàng)目計(jì)劃實(shí)施方案發(fā)布，提出“用5 a時(shí)間，設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施下一代全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)，保持其世界水平的預(yù)報(bào)能力”，實(shí)現(xiàn)將可用預(yù)報(bào)時(shí)效延長8～10 d，改進(jìn)颶風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)，將天氣預(yù)報(bào)延長至14 d，極端天氣預(yù)報(bào)提前3～4周。2015年，一份來自美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的大學(xué)大氣研究聯(lián)盟社區(qū)咨詢委員會(huì)的報(bào)告建議要精簡模式套件并更好地利用外部研究力量，最終激發(fā)了開放式創(chuàng)新[8]的UFS的創(chuàng)建。正是針對(duì)UFS的研發(fā)，讓美國氣象業(yè)務(wù)主管機(jī)構(gòu)NOAA和研究機(jī)構(gòu)美國國家大氣研究中心（NCAR）深刻思考雙方之間在合作戰(zhàn)術(shù)上的短板。由于多年來兩個(gè)機(jī)構(gòu)獨(dú)立發(fā)展，導(dǎo)致彼此的模式組件互不兼容，一些優(yōu)秀和有特色的模塊很難在不同機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)比驗(yàn)證，在很大程度上限制了最好的模式專家共同研發(fā)最好的業(yè)務(wù)模式。2016年，為了促進(jìn)創(chuàng)新型研究業(yè)務(wù)化，NOAA和NCAR整合了物理參數(shù)化方案和軟件基礎(chǔ)設(shè)施框架，提出通用社區(qū)物理包（CCPP）的概念。簡單來說，基于CCPP，各模式可以直接調(diào)用給定的物理參數(shù)化套件，即模式之間具有物理互操作性。對(duì)于UFS來說，CCPP的出現(xiàn)是一次重大的轉(zhuǎn)折，互操作性成為業(yè)務(wù)研發(fā)的前提，極大地推進(jìn)了UFS的“統(tǒng)一”。從2020年開始，UFS已經(jīng)在NOAA業(yè)務(wù)體系中逐步落地，并在GitHub網(wǎng)站上發(fā)布其應(yīng)用軟件的開源代碼。

1.2 可提供多個(gè)應(yīng)用的統(tǒng)一的系統(tǒng)框架

UFS能夠?qū)CEP的預(yù)測(cè)模型套件從許多獨(dú)立的系統(tǒng)（如全球天氣預(yù)報(bào)、全球天氣集合預(yù)報(bào)、短期區(qū)域集合預(yù)報(bào)、中期天氣預(yù)報(bào)、次季節(jié)—季節(jié)（S2S）預(yù)報(bào)、全球海洋和海冰預(yù)報(bào)等，每個(gè)系統(tǒng)都需要分別進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)）簡化為一個(gè)統(tǒng)一的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并提供多個(gè)應(yīng)用軟件（圖1），從而能夠?yàn)槊绹捌浜献骰锇樘峁└鼫?zhǔn)確的預(yù)測(cè)。UFS的應(yīng)用軟件提供中期天氣、S2S、颶風(fēng)、短期、空間天氣、近海、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)等功能，這些應(yīng)用軟件本質(zhì)上是公共代碼庫的特定配置，而不是從頭構(gòu)建的獨(dú)立代碼，這是UFS的一個(gè)關(guān)鍵。可以說，UFS是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。

圖1 UFS概念圖（來源：https://epic.noaa.gov/who-weare/community-modeling/）Fig. 1 The conceptual graph of UFS (Source: https://epic.noaa.gov/who-we-are/community-modeling/)

1.3 可互操作的統(tǒng)一的基礎(chǔ)架構(gòu)

UFS的基礎(chǔ)架構(gòu)包括科學(xué)組件、配套基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)架構(gòu)，這些都是構(gòu)建應(yīng)用軟件所需的。UFS應(yīng)用軟件之間共享一組科學(xué)組件，即數(shù)值預(yù)報(bào)模式組件，包括地球系統(tǒng)模式的各分量模式，如大氣動(dòng)力核心有限體積立方球體FV3、海洋模式MOM6、海冰模式CICE5、陸面模式Noah MP等（表1）。

表1 UFS應(yīng)用軟件中使用的模式組件情況Table 1 Usage of model components in UFS applications

UFS的應(yīng)用軟件還共享一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)（圖2），該架構(gòu)描述了科學(xué)組件如何結(jié)合軟件基礎(chǔ)設(shè)施元素，生成專業(yè)化的、端到端的預(yù)報(bào)并支持研究。其中，紫色框表示工作流環(huán)境和數(shù)據(jù)庫，淺藍(lán)色粗線表示順序，紅色框表示可執(zhí)行文件，藍(lán)綠色框表示NOAA環(huán)境建模系統(tǒng)（NEMS），黑色框代表科學(xué)組件、接口層和中介組件，橙色框表示大氣模式的子組件（FV3、CCPP），粉紅色框顯示部分?jǐn)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)，藍(lán)色框表示庫和實(shí)用工具。

圖2 UFS系統(tǒng)架構(gòu)中的4個(gè)主要層次：庫和實(shí)用工具、UFS應(yīng)用程序、預(yù)測(cè)包和工作流環(huán)境[9]Fig. 2 Four main layers in the UFS system architecture: libraries and utilities, UFS applications, prediction packages,and workflow environment[9]

UFS的應(yīng)用軟件也共享一組軟件基礎(chǔ)設(shè)施包?？苫ゲ僮鞯腃CPP即是基礎(chǔ)設(shè)施包中的一員。其他基礎(chǔ)設(shè)施包還有數(shù)據(jù)同化框架（JEDI）、耦合模型組件（ESMF、NUOPC、CMEPS）以及模型驗(yàn)證框架（METPlus）、工作流軟件等，所有這些基礎(chǔ)設(shè)施包都公開可用。

耦合模型組件中，地球系統(tǒng)建?？蚣埽‥SMF）[10]是由NEMS系統(tǒng)采用社區(qū)開發(fā)和社區(qū)管理的軟件流程來構(gòu)建的。國家統(tǒng)一業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)能力（NUOPC）層是ESMF的一組擴(kuò)展，可提高組件互操作性并提供增強(qiáng)的架構(gòu)選項(xiàng)以簡化模型耦合[11]。GitHub網(wǎng)站上提供了用于耦合的各種中介器，包括地球預(yù)測(cè)系統(tǒng)社區(qū)中介器（CMEPS）。這是一種通過NOAA和NCAR合作開發(fā)的符合NUOPC標(biāo)準(zhǔn)的耦合器[12-14]。通過CMEPS框架的設(shè)計(jì)，不同的動(dòng)力核心也可以互換，如跨尺度預(yù)測(cè)模型（MPAS）[15]和FV3[16]。工作流軟件包括統(tǒng)一后處理器（UPP）等，UPP可以將本機(jī)輸出插值到各種網(wǎng)格和文件格式，以用于可視化和預(yù)測(cè)產(chǎn)品生成。

軟件基礎(chǔ)設(shè)施包的設(shè)計(jì)是為了支持各組件之間的互操作性。對(duì)于一個(gè)軟件基礎(chǔ)設(shè)施包，有一個(gè)包裝器或軟件的“接口（cap）”層（如圖2黑色框所示），它充當(dāng)組件適配器，可以調(diào)用科學(xué)代碼，將用戶編寫的科學(xué)代碼轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)設(shè)施包可以理解的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和元數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的其他組件使用標(biāo)準(zhǔn)“接口”與該組件交互。

2 美國統(tǒng)一預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“眾籌”的主要機(jī)制

UFS自研發(fā)以來，一直是以達(dá)到世界領(lǐng)先水平為目標(biāo)的。在業(yè)務(wù)實(shí)施效果上，UFS也確實(shí)取得了一定成績，其全球模式GFS在2021年3月有整整一周擊敗了ECMWF，這在很長一段時(shí)間內(nèi)都沒有發(fā)生過。UFS取得這樣的成績，其中一個(gè)重要的原因就是NOAA首次真正實(shí)現(xiàn)了開放式創(chuàng)新——NOAA和NCAR以及高校、企業(yè)在模式研發(fā)上的聯(lián)合創(chuàng)新，引領(lǐng)業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式走向了“眾籌”之路，和我國提出的科技創(chuàng)新“新型舉國體制”不謀而合。UFS的“眾籌”理念主要體現(xiàn)在：1）具有完全開放的視角，吸引和利用各方人才和智慧；2）先建立業(yè)務(wù)模式框架和體系，再吸引“局外”智慧和業(yè)務(wù)模式“無縫隙”接軌。其實(shí)現(xiàn)“眾籌”的機(jī)制主要包括：1）提供通用的“集裝箱”式模式研發(fā)框架和基礎(chǔ)平臺(tái)；2）提供開源資源和友好的用戶支持；3）通過聯(lián)邦協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)構(gòu)建行業(yè)協(xié)同伙伴關(guān)系；4）設(shè)立專門成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目激勵(lì)基于UFS框架的創(chuàng)新等。

2.1 提供通用的“集裝箱”式模式研發(fā)框架和基礎(chǔ)平臺(tái)

UFS是一種“集裝箱”式的架構(gòu)，地球科學(xué)模型集裝箱化的優(yōu)勢(shì)在許多論文中進(jìn)行了討論[17-18]，該架構(gòu)可以保證UFS安裝方便、可移植性高、重現(xiàn)性好[19]。UFS采用的CCPP建立了全國通用的數(shù)值模式物理過程編碼基礎(chǔ)，使得不同模式的物理參數(shù)化方案可以“互操作”。同時(shí)，UFS使得未來“插件”式的模式有可能被鑄造：即在模式技術(shù)層面上有了統(tǒng)一規(guī)則和基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)后，一個(gè)新模式的誕生可能是各方最優(yōu)秀的“模式插件”的組合而已，即世界上最好的模式也許是實(shí)驗(yàn)室A的大氣核心＋實(shí)驗(yàn)室B的海洋模式＋實(shí)驗(yàn)室C的物理參數(shù)化方案……。數(shù)據(jù)同化是當(dāng)前數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)的核心，NOAA目前正在與云服務(wù)提供商合作，設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)面向公眾的數(shù)據(jù)湖，該數(shù)據(jù)湖將用作集中式存儲(chǔ)庫，其中觀測(cè)值可以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為JEDI使用的通用格式。

2.2 提供開源資源和友好的用戶支持

UFS的天氣應(yīng)用軟件和所有的基礎(chǔ)設(shè)施包都支持代碼發(fā)布。目前在GitHub上已發(fā)布的應(yīng)用軟件包括中期天氣應(yīng)用、短期天氣應(yīng)用、CCPP等。UFS支持訪問完整的代碼庫，還可以鏈接到JEDI基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行數(shù)據(jù)同化。UFS鼓勵(lì)合作伙伴在GitHub上基于UFS公開版本貢獻(xiàn)代碼。在開源這一點(diǎn)上，ECMWF和UFS思路一致。為了加強(qiáng)合作、提高效率、增強(qiáng)IFS可擴(kuò)展性，2020年6月ECMWF決定在GitHub上部分或完全開放其預(yù)報(bào)模式IFS的代碼。目前，IFS已經(jīng)開放了6個(gè)模式軟件，很快還要開放2個(gè)模式軟件。ECMWF期待各成員國全面和深刻評(píng)估開放IFS的優(yōu)點(diǎn)，以推動(dòng)IFS[20]的全面開放。

而且，UFS所有應(yīng)用軟件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施包在UFS網(wǎng)站和GitHub Wiki上都有廣泛的用戶支持文檔。此外，還有一個(gè)論壇用于發(fā)布和回答問題、訪問最新版本以及報(bào)告錯(cuò)誤。有測(cè)試案例顯示，在只有8 GB內(nèi)存的筆記本上就可以下載、編譯和運(yùn)行整個(gè)UFS工作流程，該案例下載代碼、安裝和鏈接花費(fèi)了不到2 h，以C96（100 km）分辨率將完整的FV3-GFS運(yùn)行12 h大約用了1 h。眾多反饋顯示，參加測(cè)試的用戶從終身教職員工到高中生，從商業(yè)云HPC到視頻游戲機(jī)等平臺(tái)上都成功運(yùn)行了UFS。

2.3 通過聯(lián)邦協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)構(gòu)建行業(yè)協(xié)同伙伴關(guān)系

行業(yè)協(xié)同是UFS開放式創(chuàng)新成功的關(guān)鍵。UFS起初仍然是在NOAA內(nèi)部研發(fā)的。其中一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是2019年NOAA與NCAR達(dá)成合作協(xié)議，建立了新的伙伴關(guān)系，CCPP框架即是其共同設(shè)計(jì)的一個(gè)通用軟件基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)。CCPP框架為氣象行業(yè)的研究人員和業(yè)務(wù)人員提供相同的工具，可以加速模式開發(fā)，最大限度地發(fā)揮效益。此外，美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)之間也通過組建氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)間委員會(huì)加強(qiáng)了行業(yè)協(xié)同。白宮科技政策辦公室（OSTP）和NOAA響應(yīng)2017年的《天氣研究和預(yù)報(bào)創(chuàng)新法案》，于2020年8月成立了推進(jìn)氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)間委員會(huì)（ICAMS）。這是自1964年聯(lián)邦氣象服務(wù)和支持研究委員會(huì)（FCMSSR）成立以來，聯(lián)邦機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)工作最重大的重組[21]。通過四個(gè)ICAMS委員會(huì)（研究與創(chuàng)新，觀測(cè)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)）可以更有效地利用共享資源，減少重復(fù)工作。2017年《天氣研究和預(yù)報(bào)創(chuàng)新法案》、2018年《國家綜合干旱信息系統(tǒng)再授權(quán)法案》的頒發(fā)，促成了一個(gè)虛擬中心——地球預(yù)測(cè)創(chuàng)新中心（EPIC）的成立，EPIC通過構(gòu)建伙伴關(guān)系、在云開發(fā)環(huán)境中提供模式代碼和數(shù)據(jù)、提供穩(wěn)定的長期政府投資、引導(dǎo)基于UFS的定向投資等，使得UFS真正向高校、企業(yè)、研究人員乃至學(xué)生等開放。

2.4 設(shè)立成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目激勵(lì)基于UFS框架的創(chuàng)新

NOAA建立的研究向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化分級(jí)政策極大地推動(dòng)了創(chuàng)新。2016年NOAA以NAO-216-105B號(hào)局長令的方式，發(fā)布了《研究和開發(fā)過渡政策》。根據(jù)該政策，NOAA資助內(nèi)部或外部研究項(xiàng)目，以及得到外部資助的研究項(xiàng)目，都按照其與業(yè)務(wù)化的“距離”，劃分為1～9級(jí)（用RL表示）：RL1～2（研究）、RL3～5（開放）、RL6～8（展示）、RL9（業(yè)務(wù)實(shí)施）。特別是，該政策將業(yè)務(wù)環(huán)境評(píng)估（5級(jí)）、原型系統(tǒng)演示（6級(jí)）、進(jìn)入業(yè)務(wù)系統(tǒng)演示（7級(jí)）和準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行、培訓(xùn)（8級(jí)）工作流程納入研究項(xiàng)目等級(jí)序列，可以更好地將研究成果規(guī)范化、流程化，完成了RL8就能夠很快轉(zhuǎn)化成業(yè)務(wù)，極大地提高了研究向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化的效率。

此外，為支持NOAA開發(fā)基于政產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的UFS，NOAA專門設(shè)立研究向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化（R2O）項(xiàng)目，為的是響應(yīng)產(chǎn)學(xué)研界的建議，在統(tǒng)一建?？蚣芎蛥f(xié)作策略下集成和共同管理UFS建模和數(shù)據(jù)同化。該項(xiàng)目已得到了美國國家天氣局（NWS）科學(xué)和技術(shù)一體化辦公室（OSTI）和NOAA海洋和大氣研究辦公室（OAR）為期2 a的資助。未來3～5 a的愿景工作也即將開展，以不斷推動(dòng)可向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新。在NOAA對(duì)UFS的資助項(xiàng)目（圖3）中，UFS-R2O項(xiàng)目是一個(gè)主要來源，約1300萬美元/a，由NWS OSTI和NOAA OAR聯(lián)合資助。此外，還有很大一部分資金來源是颶風(fēng)和災(zāi)害補(bǔ)充項(xiàng)目（HSUP）。

圖3 NOAA對(duì)UFS的資助情況[22]Fig. 3 NOAA Investment in UFS[22]

UFS-R2O項(xiàng)目將開發(fā)兩個(gè)重要的預(yù)報(bào)系統(tǒng)：一個(gè)是適用于中長期預(yù)報(bào)（數(shù)日到數(shù)周）的完全耦合的全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GEFS），另一個(gè)是適用于短期預(yù)報(bào)（數(shù)小時(shí)到數(shù)日）的區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（RRFS）。這兩個(gè)系統(tǒng)都將于2024年業(yè)務(wù)化，并將成為首批由NOAA和產(chǎn)學(xué)研界協(xié)同開發(fā)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

在團(tuán)隊(duì)建設(shè)上，UFS-R2O項(xiàng)目共有來自NOAA內(nèi)部和外部的200多名參與者，他們共同在一個(gè)管理框架下工作。該項(xiàng)目分為3個(gè)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，分別專注于中期天氣預(yù)報(bào)和S2S的全球建模、短期天氣預(yù)報(bào)和颶風(fēng)建模、軟件和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)。團(tuán)隊(duì)的參與者所在機(jī)構(gòu)包括NOAA、衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化聯(lián)合中心（JCSDA）、NCAR、喬治梅森大學(xué)、科羅拉多州立大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室等。其中，中期天氣預(yù)報(bào)和S2S的全球建模團(tuán)隊(duì)由NCEP環(huán)境建模中心（EMC）的Avichal Mehra和喬治梅森大學(xué)的Cristiana Stan擔(dān)任負(fù)責(zé)人。

基于UFS框架的R2O項(xiàng)目的實(shí)施，真正使UFS實(shí)現(xiàn)了“眾籌”式研發(fā)。在NOAA主導(dǎo)下，美國高校在UFS的研發(fā)向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化中發(fā)揮了重要的作用，絕大多數(shù)R2O項(xiàng)目都是由高校完成的。R2O項(xiàng)目的成果，在研究向業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化分級(jí)政策的指導(dǎo)下，可以很快地進(jìn)入U(xiǎn)FS中實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化。NWS的科學(xué)和技術(shù)一體化辦公室OSTI每年都會(huì)發(fā)出資助項(xiàng)目申請(qǐng)通知，以支持開發(fā)UFS。資助人員的面向范圍是美國高等教育機(jī)構(gòu)、商業(yè)組織、各地政府和其他美國非營利組織。資助項(xiàng)目研究范圍包括：1）下一代全球預(yù)測(cè)系統(tǒng)；2）次季節(jié)—季節(jié)（S2S/第3—4周）計(jì)劃；3）颶風(fēng)預(yù)報(bào)改進(jìn)計(jì)劃（HFIP）。資助總額為2 a約300萬美元。資助項(xiàng)目的選擇側(cè)重于RL4～7相關(guān)的項(xiàng)目。在2020財(cái)年，9個(gè)資助項(xiàng)目中有7個(gè)項(xiàng)目的受資助單位是高校。此外，NOAA其他機(jī)構(gòu)也在資助UFS框架下的研發(fā)。如2022財(cái)年，NOAA的天氣計(jì)劃辦公室資助了基于UFS框架下的54個(gè)研究項(xiàng)目，研究人員來自30余個(gè)大學(xué)和科研院所。

3 我國數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

我國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)經(jīng)過60多年發(fā)展，目前迎來了最好的發(fā)展環(huán)境。一是國務(wù)院印發(fā)《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022—2035年）》，在國家層面凝聚了氣象高質(zhì)量發(fā)展、發(fā)展氣象國家“芯片”的共識(shí)；二是中國氣象局于2021年成立了地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心，集全系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)形成了合力；三是在中國氣象局以外，中國科學(xué)院、自然資源部、高校和部分企業(yè)開展數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)的能力和熱情持續(xù)提升；四是最近20多年來，中國氣象局通過“局院合作”“局校合作”等機(jī)制，保持與局外主要研發(fā)力量的聯(lián)系、交流和溝通，有較好的合作基礎(chǔ)。

不過，我國地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)還存在著一些亟待解決的問題，需要摒棄急功近利的做法，認(rèn)真思考問題和不足。一是我們對(duì)一體化的、地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)的科學(xué)認(rèn)識(shí)是否清晰，有沒有形成普遍共識(shí)？二是我們目前業(yè)務(wù)應(yīng)用的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)一體化模式和正在研發(fā)的地球系統(tǒng)一體化模式，有沒有軟件工程上的系統(tǒng)開發(fā)理念、軟件工程開發(fā)技術(shù)，有沒有匹配的軟件工程開發(fā)人員？三是我們有多少研發(fā)工作是可理解的——程序代碼是否通用、易讀、易于維護(hù)？有沒有保證研發(fā)可持續(xù)性的完整全面的用戶支持技術(shù)文檔？四是僅依靠氣象系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)人員隊(duì)伍能否勝任在未來10 a實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)能力全球領(lǐng)先的艱巨任務(wù)？

目標(biāo)導(dǎo)向更能夠激勵(lì)創(chuàng)新[23]?？梢哉f，我國的數(shù)值預(yù)報(bào)水平在國際上仍處于第三陣營（圖4）。而且，歐美國家一直在持續(xù)創(chuàng)新和進(jìn)步，ECMWF提出了未來10 a地球系統(tǒng)模式研發(fā)目標(biāo)[24]，英國氣象局也已經(jīng)開始部署下一代模式系統(tǒng)的研發(fā)。而我國要實(shí)現(xiàn)到2035年氣象預(yù)報(bào)水平全球領(lǐng)先的目標(biāo)，就意味著不光要縮小差距，更要實(shí)現(xiàn)跨越式的趕超。因此，亟需開展政產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新，并發(fā)揮政府主管部門（中國氣象局）在其中的主導(dǎo)作用。

圖4 1998—2022年世界主要?dú)庀髾C(jī)構(gòu)的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式500 hPa高度場(chǎng)的5 d預(yù)報(bào)RMSE對(duì)比（來源：https://wmolcdnv.ecmwf.int/scores/time_series/500_z）Fig. 4 Comparison of 5-day forecast RMSE of 500 hPa height field by global numerical weather forecast models from major world meteorological agencies during 1998－2022(Source: https://wmolcdnv.ecmwf.int/scores/time_series/500_z)

4 對(duì)中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)機(jī)制的啟示

4.1 由中國氣象局主建全國統(tǒng)一的模式研發(fā)基礎(chǔ)平臺(tái)，凝聚模式研發(fā)優(yōu)勢(shì)力量

2021年國際上成立的開放建?；饡?huì)（OMF），核心就是通過現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或者開發(fā)新的標(biāo)準(zhǔn)來促進(jìn)建模的開放[25]。同樣地，UFS提出的CCPP框架表面上是提供數(shù)值預(yù)報(bào)模式組件的程序庫的軟件工程服務(wù)，但其背后卻具有在技術(shù)層面規(guī)范模式研發(fā)活動(dòng)的意義。CCPP規(guī)范了交流的“軌道”，能夠推動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同機(jī)構(gòu)的模式互通交流、甚至“加掛”或重新“組合”成全新的模式。CCPP在模式研發(fā)底層架構(gòu)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)層面的意義在于，它使政產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)在技術(shù)層面上能夠直接進(jìn)行對(duì)話，進(jìn)而產(chǎn)生巨大效益。CCPP帶來的“統(tǒng)一”，其目的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)建可以在不同模式之間交換組件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。這是一項(xiàng)艱巨的軟件工程，其核心內(nèi)容之一就是實(shí)現(xiàn)不同模型間的物理參數(shù)化的互操作性。這樣，氣象研究人員不需要從頭做起，只要有任意一個(gè)組件的研發(fā)，就可以通過重新組合來對(duì)比驗(yàn)證新組件的好壞。因此，應(yīng)盡快建設(shè)模式研發(fā)、耦合、物理參數(shù)化、資料同化、模式后處理等的統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺(tái)。通過統(tǒng)一底層基礎(chǔ)框架、研發(fā)平臺(tái)和研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，簡化研發(fā)流程，讓模式研發(fā)實(shí)現(xiàn)可互操作性。并通過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定，確保中國氣象局在模式研發(fā)中發(fā)揮主導(dǎo)作用，以確保模式創(chuàng)新在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中應(yīng)用，更好服務(wù)國家、服務(wù)人民。在資金資助上，可以鼓勵(lì)基于該研發(fā)基礎(chǔ)框架的創(chuàng)新性研究，對(duì)相關(guān)的研究給予資金資助，用好“揭榜掛帥”“賽馬制”等，充分調(diào)動(dòng)產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)的積極性。

4.2 分步驟實(shí)施模式開源開放，提升模式核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)效率和創(chuàng)新能力

過去10 年，國際上采用了一個(gè)FAIR原則，即可發(fā)現(xiàn)性、可訪問性、互操作性和可重復(fù)使用，促進(jìn)了數(shù)據(jù)和軟件開放共享[26]。ECMWF和NOAA也不約而同地采取了模式代碼開源的方式，這是研發(fā)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的必由之路。因此，應(yīng)堅(jiān)定走開放的道路，標(biāo)準(zhǔn)化編寫模式軟件代碼（必要時(shí)需要進(jìn)行代碼重寫），提高模式研發(fā)效率、利用產(chǎn)學(xué)研力量增強(qiáng)模式創(chuàng)新能力、在日益激烈的國際科技競爭中把核心關(guān)鍵技術(shù)牢牢把握在自己手里。同時(shí)，從實(shí)際出發(fā)，可以采取分步走的開源開放方式，先在核心合作伙伴之間提供模式源代碼，再在保證自主可控、安全的前提下，向高校、科研院所開放模式源代碼，保證開放落實(shí)落地。

4.3 提供易訪問易操作的數(shù)據(jù)環(huán)境和模式技術(shù)支持，厚植開放創(chuàng)新的土壤

當(dāng)然，僅開放源代碼是不夠的，沒有通用的、靈活的數(shù)據(jù)環(huán)境（讀取、存儲(chǔ)等）、沒有通用的計(jì)算環(huán)境（環(huán)境變量設(shè)置等）和云端布置的高性能計(jì)算能力，程序就轉(zhuǎn)不通，就沒辦法修改和對(duì)比驗(yàn)證，開源就成了一句空話[27-28]。在數(shù)據(jù)環(huán)境、計(jì)算環(huán)境、云平臺(tái)等領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)界（企業(yè)）有著明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，應(yīng)加強(qiáng)和企業(yè)的合作，為產(chǎn)學(xué)研提供易訪問的模式的數(shù)據(jù)環(huán)境、計(jì)算環(huán)境和云端布置的高性能計(jì)算平臺(tái)。同時(shí)，還要向用戶提供友好的技術(shù)文檔，引導(dǎo)用戶如何方便、快速地完成模式下載、編譯和運(yùn)行，保證易操作性、可重復(fù)性、可供同行評(píng)議，這是開放式創(chuàng)新理念的精髓，將能夠加速政產(chǎn)學(xué)研的聯(lián)合創(chuàng)新能力。另外，還需要建立氣象局和用戶、用戶和用戶之間討論的平臺(tái)，積極營造聯(lián)合創(chuàng)新的氛圍。

4.4 緊緊抓住核心合作伙伴，夯實(shí)地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)的開放基礎(chǔ)

NCAR是美國氣象學(xué)術(shù)圈中的龍頭機(jī)構(gòu)，NOAA選擇和NCAR合作，不僅能夠借助前期NCAR研發(fā)“眾籌”式模式WRF的經(jīng)驗(yàn)，還能更大限度地調(diào)動(dòng)來自美國高校的積極性，也能夠利用美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國國防部、美國海軍等多方資金資助，可謂是“一石多鳥”的成功決策。ECMWF也有其核心合作伙伴雷丁大學(xué)，雙方的密切合作、優(yōu)勢(shì)結(jié)合，是ECMWF業(yè)務(wù)能力全球領(lǐng)先的重要保障。中國氣象局和科研院所有很好的合作經(jīng)驗(yàn)。中國科學(xué)院大氣物理研究所有著深厚的模式研發(fā)和基礎(chǔ)理論研究基礎(chǔ)。此外，中國科學(xué)院大氣物理研究所和清華大學(xué)共建的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”已經(jīng)完成建設(shè)，國家不太可能再投資興建另一個(gè)這樣的大裝置。因此，在新發(fā)展階段，應(yīng)和中國科學(xué)院大氣物理研究所建立核心合作伙伴關(guān)系，借助其模式研發(fā)創(chuàng)新能力，在科研院所和高校中形成聯(lián)合創(chuàng)新的領(lǐng)頭作用，同時(shí)讓“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。