獲知天氣實況
是一件既簡單又復雜的事
觀測站網不可能無限制地織密
但對實況數據的需求卻需要準確把控每一處細節
發揮多來源觀測數據的優勢
通過融合分析
得出盡可能逼近大氣真實狀況的結果
成為最有效的路徑
進入新世紀以來，國家氣象信息中心加強業務體制改革，著力于對氣象數據的深度加工，從無到有，從粗到精，截至2021年，基本建成覆蓋全球、中國和局地，包含大氣、陸面、海洋等多圈層多要素的實況業務體系。 發展歷程篇 從“看山是山”到“看山還是山” 氣象數據的收集、處理、管理與服務，是國家氣象信息中心的基本職責。海量的歷史氣象數據，再加上每天實時收集的新增數據，毫無疑問是一座“寶山”。但未經深度加工的數據，觀測格式各異、質量參差不齊，雖然“看上去很壯”，但對氣象事業發展，特別是對智能網格預報和智慧氣象服務的支持著實有限，一度被認為是“瓶頸”。 既然“看山是山”作用有限，那么就必須要有突破，必須要將猶如一團亂麻的觀測數據解構，利用先進技術進行融合分析、同化分析和智能分析，得到時空連續、變量協調、質量可靠的實況產品。雖然“看山還是山”，但卻已經重構為能真正為預報與服務提供“零時刻”支撐的數據“金山銀山”。 01 跨越 實現這種跨越，猶如挾山超海，實屬不易。 實況業務涉及到綜合觀測布局、資料傳輸速度、信息識別能力、數據融合能力、計算分析能力、共享智能水平等各個方面，涉及一系列科學和技術問題需要解決。國家氣象信息中心首席專家師春香表示，實況業務不是飛來之石，背后卻是十余年的艱辛探索與發展。 2007年 對標國際先進水平，國家氣象信息中心引進最優插值算法，從多源降水融合開始技術及業務積累。 2010年 組建多源數據融合創新團隊，一批年輕技術骨干挑起重擔，多源融合實況分析開啟跨越之旅。 2013年 我國第一個業務化運行的陸面數據同化業務系統（CLDAS）上線，首次實現區域加密觀測數據、風云二號衛星降水與地面太陽輻射定量反演產品在陸面數值模式中的實時同化，產出的實況分析產品提供業務科研應用。 2014年 國家氣象科技創新工程的實施，為多源融合實況分析吹來了新的東風。實況分析在陸面要素基礎上，擴展到海表要素、三維云與三維大氣要素，“海陸空”耦合發展的實況分析業務全速推進。 2018年 智能網格預報業務正式起航。多源數據融合實況分析通過一系列技術革新、時效優化和評估檢驗，解決了智能網格預報缺乏實況產品的燃眉之急，成為預報業務的堅實地基。自此，被升格為“實況業務”。 如今 中國氣象局實況業務體系基本建成，網格實況產品覆蓋全球、中國和局地區域，包括大氣、陸面、海洋等多圈層多要素，產品最快延后5分鐘，最高時間分辨率達到10分鐘，最高空間分辨率達到100米。 當初的業務“瓶頸”，已經成長為從“零時刻”到日、月、季、年無縫隙智能網格預報業務的重要組成部分。 02 成長 “邊研究、邊轉化、邊應用?！?/p> 這是實況業務技術團隊的策略，也是技術團隊自身快速成長的秘訣。 作為研究型氣象業務的典型案例，基于業務問題開展研究，迅速轉化用于實踐，應用又帶來新的問題。這樣的良性循環，在建起蔚為大觀的實況產品“矩陣”同時，更鍛煉出一支善于攻堅、敢于創新的技術團隊。 在這支隊伍中，12人獲評正高級職稱、兩人入選中國氣象局領軍人才、3人入選首席氣象專家、6人入選青年氣象英才，1人獲得國務院政府特殊津貼。 他們追求自主創新、穩扎穩打，把每一步路都走得踏踏實實。2014年，團隊發力升級降水實況，在原有地面、衛星數據源基礎上加入雷達數據，實現產品分辨率和同步提升。與此同時，為了避免美國衛星數據產品“斷供”，團隊還自主研發了東亞多衛星集成產品，確保降水實況數據源自主可控。 他們堅持面向核心業務需求，攻堅克難。根據核心業務迫切需求，團隊比原定計劃提前兩年建成高分辨率陸面同化數據系統。溫、壓、濕、風等要素驅動場陸續在智能網格預報實況分析中大放異彩。國家氣象中心天氣預報技術研發室主任代刊表示 ，“實況產品進一步提升了網格預報的精細化程度和準確率?！?/p> 他們始終開放包容，在合作中謀發展。團隊不僅建立海外智庫，廣泛開展技術交流，而且還接收來自全國18個省區市共計40人次的訪問學者，大部分人員經過鍛煉，已成為省級實況產品研發骨干。這種技術輻射，有效促進了省級實況業務隊伍建設。 03 協調 人人為我，我為人人。實況業務既然是氣象事業這個長長鏈條上的一環，其發展就注定不曾孤立。一方面，它始終在統籌協調中茁壯成長；另一方面，它也在推動基礎數據質量提升，推動衛星、雷達數據創新應用方面，作出重大貢獻。 質量、時效和穩定性是實況的命脈，氣象實況涉及資料收集、預處理、質量控制、偏差訂正、融合分析、檢驗評估、數據存儲、產品服務、運行監控等多個環節，每一個環節都不容有誤。 依托大數據云平臺，國家氣象信息中心建立了實況產品自動化生產線，并基于“天鏡”實現從硬件資源、數據資源、算法運行到產品生成、產品管理、產品分發的全流程精細化監控，保障實況產品高效生產。 能夠穩定產出，還需高效應用。國家氣象信息中心為實況產品應用建立了多種多樣的服務手段，無論是利用API接入系統，還是通過移動小程序實時查詢，抑或使用可視化工具制作更加多樣化的產品，面向不同需求的用戶，實況產品總能找到恰當的服務模式。 從實況業務受益的，不僅是下游的預報服務，它還能反作用于上游的觀測環節。觀測設備數以萬計，設備損壞并不罕見，傳輸錯誤也偶有發生，但調試不當等原因帶來的數據錯誤，則以更為隱蔽的形式“污染”著數據。 而實況分析，站在總攬全局的角度，為這一問題提供了解決方案。與“濫竽充數”的南郭先生恰好相反，在本地不容易暴露的數據錯誤，一旦進入多源融合分析環節，就會瞬間“露餡”。當某一項觀測數據與分析結果偏差較大時，就可以排查出源頭上的數據問題，從而幫助觀測系統改善數據質量。 此外，多源融合分析這一方式，也提升了衛星、雷達觀測數據的利用率。深入挖掘這些實時觀測數據，與常規觀測數據融合，能夠有效提升實況產品的時空分辨率，讓部分“沉睡”的數據大放異彩。 產品體系篇 打造海陸空耦合實況業務體系 什么樣的實況產品，才能滿足智能預報、智慧服務的需求？ 看世界 世界百年未有之大變局加速演進，面臨以氣候變化為代表的全球挑戰，推動人類命運共同體構建成為必然要求。全球監測、全球預報、全球服務，需要全球范圍的優質實況產品。 看中國 隨著人民生活水平的不斷提高，對氣象服務提出的要求也越來越高。各行各業，都希望得到更加精準的預報，更為精細的服務。在我國范圍內，我們需要精準的實況產品。 看時事 十四運會圣火熄滅不久，冬奧圣火又將燃起。在“兩個一百年”奮斗目標的交匯點上，不斷舉辦的重大活動，呼喚精益求精的氣象服務。在重點局地，我們需要“武裝到牙齒”的實況產品。 看科學 大氣與陸地、海洋緊緊相連，彼此影響，物質和能量在其間循環轉化，共同參與構成天氣、影響天氣的復雜過程。還原這一過程，我們需要充分考慮各圈層相互作用的實況產品面向這樣的需求，全球10公里、中國區域1公里、局地百米分辨率層層遞進，大氣、陸面、海洋產品相互耦合的氣象實況業務體系應運而生。 一方面，全球實況為區域高分辨率實況、區域實況為局地更高分辨率實況生產提供高質量背景場與驅動場；另一方面，大氣、陸面、海洋相關要素緊緊耦合在一起，互為支撐，迭代發展，更好地還原了天氣系統的真實樣貌。 目前，“全球-區域-局地”一體化大氣、陸面、海洋多圈層實況業務每天實時產出140余種網格化產品，有效支撐智能網格預報業務發展，成為從“零時刻”到日、月、季、年無縫隙預報業務的重要組成部分，全球大氣實況產品可以提供覆蓋完整、變量豐富、高質量、高時空分辨率的實時大氣狀態，為高影響天氣系統的監視分析提供數據支撐，質量總體與國際同類產品相當，時效明顯優于網絡下載國外產品，已實現對國外同類產品的有效替代。 中國區域，1公里實況產品精準刻畫天氣，為準確預報提供更優質的數據支撐，對捕捉以強對流天氣為代表的小尺度災害性天氣動向意義重大，使公路交通氣象預報、山洪地質災害預警、基于位置天氣實況查詢等更加精準、更加可靠。 最為精準的局地實況，則為重大活動氣象保障提供了最先進的數據武器。集成氣象業務核心技術，再加上研發的百米分辨率雷達定量降水估測新技術和風云四號A星地面2米氣溫反演深度學習新技術，將實況數據的時空分辨率推至100米/10分鐘的高水平。 全球實況——俯瞰全球 保障數據供給 分辨率：10公里、6小時 內容：大氣、陸面、海洋 特點：降低對國外產品和技術的依賴，保障我國氣象業務輸入源頭安全可控 全球氣溫實況 2021年11月，全球大氣和全球表面實況產品通過業務準入評審。至此，10公里全球實況形成自主業務能力，為“全球監測、全球預報、全球服務”提供支撐。 全球大氣實況產品包含全球10公里、6小時分辨率的三維溫度、濕度、風、位勢高度等204個物理變量，質量總體與國際同類產品相當，可以實現對國外同類產品的有效替代，保障我國氣象業務輸入源頭的安全可控。 全球表面實況產品包括全球10公里、3小時分辨率的兩米高度氣溫、濕度，以及10米高度風場等地球表面要素，其中兩米氣溫和兩米比濕較歐洲中心（ECMWF）最新的ERA5-Land同類產品誤差小15%以上。國家氣象中心全球客觀天氣預報業務評估表明，應用效果顯著優于之前基于ECMWF短時預報產品拼接的近似實況場，為全球智能網格預報業務提供了有力的實況數據支撐。 區域實況——把脈中國，支撐防災減災 分辨率：1公里、1小時 內容：大氣、陸面、海洋、降水、云、天氣現象 特點：提供高精度數據，為防災減災提供堅實支撐 中國區域降水實況 2021年9月，國家氣象信息中心牽頭研制的中國區域多源融合實況分析1公里分辨率產品投入業務運行，產品質量逼近國際國內先進水平，為精細刻畫實況天氣提供了更加精細的數據源。 全國1公里實況產品綜合利用地面自動站觀測、天氣雷達、風云衛星、數值模式等多源數據，應用概率密度匹配、貝葉斯模型平均、多重網格變分、最優插值等多項多源融合分析核心技術，包括中國區域逐小時降水、兩米高度氣溫、兩米高度濕度、10米高度風等4個要素14種產品，產品最快時效達到5分鐘，質量相比5公里分辨率產品，大幅度提升了針對復雜地形、冬季降水以及極值的刻畫能力，為我國防災減災提供更加及時、精細、精準的實況數據支撐。 局地實況——靈活配置，精益求精 分辨率：100米、10分鐘 內容：降水、云、氣溫、濕度、風、天氣現象等 特點：聚焦重大活動，提供精益求精的實況保障 局地氣溫實況 局地實況，主要應用于重大活動等特殊氣象保障領域。 面向冬奧會的極高要求，國家氣象信息中心技術團隊不斷攻關突破核心技術，建成局地實況分析實時系統，實時生成10分鐘分辨率的降水、氣溫、濕度、風速、能見度和總云量等一系列冬奧賽區百米級實況產品。 這套系統并非“一次性”，可以根據用途，靈活轉移。它能將實況分析的“能量”聚焦于特定局地，產出100米、10分鐘級別的實況產品。 在十四運會氣象服務保障中，便是基于已有的局地百米級實況分析技術，實現了全運會百米級實況分析模塊建設與集成。 在將來的各項重大活動中，百米級局地實況產品的身影，必將頻繁出現。 服務應用篇 氣象實況應用全面開花 作為從“零時刻”到日、月、季、年無縫隙預報業務的重要組成部分，氣象實況業務體系在研發、建設和完善的過程中，已經在各級各類業務中得到全面應用，為“監測精密、預報精準、服務精細”提供有力支撐。 01 監測精密：筑牢防災減災第一道防線 2021年7月，河南出現歷史罕見暴雨，牽動了全國人民的心。什么樣的降水，引發如此嚴重的災情？人們迫切需要一個答案。 高時效、高時空分辨率的實況產品，是最好的作答者。逐10分鐘滾動更新的河南省小時降水實況圖形產品迅速出爐，降水中心區域不尋常的顏色分層令人觸目驚心，直觀地展現了降水過程的極端性，也為前線氣象保障提供了重大支持。 在筑牢防災減災第一道防線過程中，實況產品能夠充分發揮時效性強、分辨率高的優點，實時監測暴雨、臺風、高溫、寒潮等極端災害性天氣動向。今年冬季已經歷4場寒潮，實況產品通過降水量、降水相態、氣溫變化、積雪、極大風等數據，全方位精準再現了天氣演變特征。 在天津 高分辨率實況產品應用于面雨量監測，有效補充海河流域山區雨量站分布稀疏的不足。 在內蒙古 早在2013年，實況產品就已經應用于抗旱工作?！巴ㄟ^實況，我們可以動態直觀地看到干旱發生、發展的變化過程，為1600多萬內蒙古農牧民提供服務?！眱让晒抛灾螀^生態與農業氣象中心主任李云鵬認為，實況產品顯著提升了干旱監測的精細化程度，很好地解決了內蒙古土壤濕度站點稀疏帶來的不確定性問題。 02 預報精準：提供智能網格預報基礎支撐 網格化的實況，與網格化的預報，可謂“天生一對”，彼此成就。如今，全球及中國區域實況產品已成為國家級0-30天無縫隙智能網格預報的必備基礎。 目前，實況產品作為背景場或預報模型目標場，進一步提升了網格預報的精細化程度和準確率，在成就智能網格預報方面發揮了重要作用，其中1公里分辨率的實況產品，在分鐘級滾動更新的降水預報中提供了有效支撐。 中國區域降水實況產品成為全國早間會商實況回顧指定數據、降水實況產品應用于智能網格分鐘級降水滾動預報訂正、全球表面實況產品應用于全球客觀天氣預報和全球同化預報系統陸面模式……目前，實況產品已經與國家級和各省級預報平臺深度融合，為預報員更好地分析評估客觀預報結果，提供了有力支撐。 “在觀測資料稀疏的海洋和復雜地形區域，實況產品作用尤為明顯?！眹覛庀笾行娜蚩陀^天氣預報系統研發技術人員趙瑞霞說。 今年11月，在第二屆智能預報技術方法交流大賽上，來自全國各地的選手同場競技，展現了預報技術的發展潛力。作為檢驗真值登場的實況產品，更是得到了全體參賽隊伍的認可。 03 服務精細：推動氣象服務觸角細致入微 開車上路，打開導航，所經路段天氣狀況一目了然——在自駕出行特別是長途出行中，傳統的預報信息局限性明顯，而這種基于行程提供的氣象導航，則能將預報服務具體到行經的每一段路程。這一產品，就基于氣象實況產品的支撐。 目前，實況產品在氣象、環境、生態、航空、公共衛生、交通、電力等20個行業中均得以很好應用。 航天領域 “神舟”十三號發射對地面及淺層與高層風場條件要求苛刻，利用高分辨率實況分析產品，有效解決了高空風場資料缺失問題，為發射窗口期提供從星箭組合體的垂直轉運，到火箭燃料加注，再到載人飛船發射的全流程氣象服務保障提供精準支撐。 生態領域 省級氣象部門利用實況產品與氣候適宜度和關鍵氣象因子相結合的方法，形成小麥精細化農業氣候區劃圖。 公共衛生領域 近地面氣溫、濕度、風、表面氣壓、輻射、降水等實況產品，被應用于中山大學公共衛生學院環境流行病學研究。 氣象領域 實況產品接入中國氣象局官方決策手機服務客戶端，為重大活動等氣象保障提供更為豐富多元的決策信息參考。
