天河算道论坛：气象雾霾数值预报技术创新与应用论坛-专家精彩报告回顾（四）
本期解读天津市气象局邱晓滨高工题为“基于“天河”系列超级计算机构建精细化数值预报系统”的报告内容。
邱晓滨，天津市气象局天津市气象科学研究所副所长，高级工程师。负责天津市气象局数值预报业务系统研发和数值预报技术研究工作。天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才。天津市“131”创新型人才培养工程第二层次人选。中国气象局气象科技骨干海外培养项目人选。近年主持国家自然科学基金1项，参与3项。2015年至今，在国家超级计算天津中心建立了包括天气、大气环境、海洋等多套数值预报系统。
一、背景介绍
天津市气象局主要承担天津市气象预警预报服务，以及海河流域气象预报服务，尤其是海河流域面雨量监测预报服务，作为中国气象局三个海洋中心气象台之一，承担了我国北方海洋气象预报预警服务。
随着中国气象局预报业务的改革，天津市气象局由过去的定性化预报逐渐向无缝隙的精细化格点化的预报业务流程发展。在时间上，形成了从监测、短临（0至2小时）、短时（12小时之内）、短期（72小时之内）一直延伸到中期（4-10天）的无缝隙滚动衔接的预报形式。
在空间上，从原来只报天津市13个代表站点的预报信息改变到报整个天津市的格点化预报要素，为今后提供基于位置的气象服务打下了基础。
天津作为一个沿海城市，有北方最大的港口，所以在海洋气象包括对港口的服务上有很多需求。同时，天津地势比较低洼，城市容易产生内涝积水，也存在北方典型的空气污染问题。针对不同业务需求，天津市气象局以天气模式为基础，包括中尺度天气模式，3小时循环更新系统、海气耦合系统，大气环境系统、海洋模式、内涝模型和污染应急系统，依托天河平台构建了数值预报业务系统来支撑预报预警和专业服务需求。
二、计算平台发展
该数值预报业务系统的总峰值计算能力达48Tflops，存储能力达200TB。
天津市气象局与天津超算中心物理距离有六十多公里，单位间建立了千兆独享专线来实现数据实时传输。同时，在气象局内建立了300TB的离线存储系统，用于数据再次处理分析以及分发管理，加上网络安全系统，构建出了分布式的高性能计算平台。
从2014年开始，天津市气象局对数值预报业务系统进行测试。一般气象部门将高性能计算平台布设在内部机房，因为系统集成度高，空间范围小，系统稳定性保障相对较容易。使用天河平台面临的最大问题是整个系统离天津市气象局较远，在保障网络安全的条件下，还要保障数据的高效传输。在天津超算中心的大力支持下，系统的整体稳定性逐年提升，达到了业务高效稳定运行要求。
三、数值预报系统情况
（1）中尺度天气预报系统 TJ-WRF
基于WRF模式，采用两层嵌套的方式，外层五公里，内层一公里。基于ADAS系统，通过云分析技术同化了雷达、卫星，常规、探空、飞机报等观测资料。该系统每天在天河上试运行2次，做未来84小时的预报，主要为短期和短临预报业务提供基础支撑。同时该系统也是一个基础预报系统，为其它专业模型提供需要的气象气动或侧边界等信息。
（2）快速循环更新系统 RMAPS-TJ
该系统是两层嵌套，外层九公里，内层三公里，主要预报对象是对流尺度的天气系统。通过循环同化技术，包括雷达资料、飞机报、高时空密度的观测资料，通过3小时循环同化的方式进行滚动预报，重点改进短临，比如雷暴、大风、冰雹这种尺度的天气系统的预报需求，主要支撑短临预报业务。
（3）高分辨率的环境气象模式系统
不仅天气预报需要格点化，环境气象、海洋气象预报也需要格点化，加上天津市对环境污染治理要求高，为此天津市气象局建立了一套环境预报体系，可以提供预报、评估和趋势预报服务。通过采用多种参数化方案，构建了0到5天的短期数值预报模型；采用全球模式动力降尺度来约束方法，构建了5到45天的中长期预报模型，主要为天津市中长期的污染预报提供趋势服务。同时基于区域输送评估需求构建了模型，最后将整个模型汇入到一体化平台，为环境污染预报提供支持。
（4）海洋专业数值预报模式
ADI二维模模式：天津海拔较低，风暴潮发生时容易致使天津港回灌积水，该模型主要是在天气模型TJ-WRF驱动下做风暴潮预报。
海洋环流模式：三层嵌套的设计方案，最内层的渤海湾地区是一公里分辨率，提供海温、海流预报产品。
海浪模式独立运行的是WW-2模式，后期也升级成WW-3，该模式主要提供浪高浪向预报产品。
（5）辅助系统
为了保障数值预报系统运行，针对天河一号运行环境，开发了一系列辅助系统，包括：ecflow监控调度系统、并发后处理系统、数据产品收集管理、检验系统和产品同步分发系统。
ecflow监控调度系统：可通过依赖关系自动化处理出现的故障，从而提高系统应对故障的能力，是提高数值预报系统稳定性的主要工具。
并发后处理系统：数值预报IO量大，并行后处理对提高整个系统的运行效率是非常有作用。针对天河一号的作业调度系统，开发了一套并发后处理系统，缩短了大约80%的产品制作时间，提高了产品制作速度。
数据产品收集管理、检验以及产品同步分发系统：实现增量传输，提高产品数据流程运行效率。
除此之外，天津市气象局以TJ-WRF天气模式为驱动构建了危险化学品泄露扩散模型，可以对突发事件污染扩散路径进行快速估算。
构建了城市暴雨内涝模型，通过建立河网、路网、社区、管网排水的四个模块，形成了分区分层，立体多重的内涝模拟形式，实现了中短期、临近、预警的无缝隙内涝数值预报。基于雷达和雨量观测，提供临近10分钟的积水预警，基于数值预报的天气数值预报产品雷达外推提供未来3小时的易积水风险预报，基于天气模型TJ-WRF的逐小时预报，提供未来3天的内涝预测。
四、下一步计划
通过对天气，海洋、海浪模式进行耦合，初步构建了环渤海区域高分辨率海-气-浪耦合数值预报系统（睿图-海洋，RMAPS-ocean），该模式包括三维变分结合云分析的大气资料同化系统，已经在天河平台上运行。后续将进一步发展该套模式，优化海洋模式初始场，构建特定区域的海洋背景场资料，优化基于潮流的模拟来改进海洋模式情况。
利用海洋卫星观测资料和现场观测资料，构建海洋资料同化系统。但是现场观测资料比较稀少，卫星观测还是主要方式，现在该系统处于测试状态。
雷达和静止卫星资料同化研究。针对天气模式对流尺度的资料同化问题，现在开展了雷达资料同化时机的对比。针对FY4A闪电资料同化问题，开展了闪电资料替代雷达观测资料研究。
云系模拟评估。结合辐射传输模式，对暴雨和台风等天气过程模式模拟云的能力进行了对比。
五、结束语
国家超级计算天津中心在国内率先实现了天津市气象局数值预报业务系统在“天河一号”开放环境下气象业务的稳定运行。利用“天河一号”构建的数值预报业务平台，计算能力和运算速度都得到大幅提升，保障了天气、海洋和大气化学等模式稳定高效运行，显著提升了天津市气象部门精细化预报的服务水平。
近期，天津超算中心支撑天津市气象局研发了“睿图-海洋”区域海气耦合模式系统。利用该系统，每天可获取海上覆盖黄渤海和图们江出海口区域、陆上覆盖天津和海河流域的未来84小时、3km分辨率的精细化大气、海洋和海浪耦合数值预报产品。下一步，双方将在推动智慧气象业务发展和人工智能技术应用能力方面开展深入合作。