全球数值模式是ECMWF预测的核心

原文：https://www.ecmwf.int/en/about/media-centre/focus/2022/global-numerical-modelling-heart-ecmwfs-forecasts

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我们的全球数值地球系统模式

地球系统的全球数值模式是ECMWF所有预测的基础。它的发展不仅包括大气层，还包括海洋，波浪，陆地和海冰以及它们的相互作用。我们的模式是ECMWF综合预测系统（IFS）的关键，该系统用于生成我们未来几天到几个季节的所有预测。今天，ECMWF的预测系统被公认为世界上最好的系统之一。

ECMWF使用的全球地球系统方法是由我们的基本使命驱动的，即为我们的成员国和合作国提供熟练的中程预测。此外，它还开辟了提供广泛更广泛的环境服务的可能性，例如监测气候变化和预测洪水，空气污染和野火。

我们的模式是几十年来与我们的成员国和合作国密切合作，并得到许多其他合作者的投入而制定的。代码基础设施是共享和共同开发的，预报系统的升级与Météo-France协调，他们与我们合作，特别是在大气模式组件上。其他组成部分是从社区模式中开发的，例如NEMO（欧洲海洋建模的核心）海洋模式和Louvain-la-Neuve海冰模式（LIM2）。

从大气模式到地球系统模式

当ECMWF在40多年前首次发布其预测时，我们的数值模式仅代表大气，并简化了与地表的相互作用。例如，有关海洋、海冰和陆地表面许多方面的信息是从外部数据集输入到模式中的，因此它们不会响应大气流的变化而动态演变。

表示地球系统各组成部分之间相互作用的需求部分是由ECMWF的季节性预报的发展所驱动的，但它对于中等范围的技能也很重要。

例如，海洋/海冰和大气耦合大大改善了对热带气旋的预报，热带气旋从温暖的海洋表面汲取能量，也可能影响海洋状态。需要很好地表示陆地/大气相互作用，以便对近地表天气条件（如温度）进行巧妙的预测，对于这些条件，土地和大气之间的能量和水分交换非常重要。

在地球系统数值模式中，大于模式网格的比例过程通过求解表示空气（和海洋中的水）运动的方程直接表示。较小尺度（云、湍流或地表和辐射过程）的过程通过假设它们对温度、湿度或风的影响而进行参数化。

随着时间的推移，ECMWF的模式中考虑了更多的组件和过程，并特别关注它们之间的耦合。流程的表示更加逼真，分辨率更高。例如，ECMWF的高分辨率预报在大气中的网格间距约为9公里，相比之下，首次运行天气预报的分辨率超过100公里。

地球系统观测和数据同化

ECMWF预测的质量在很大程度上归功于初始启动条件的准确性以及其地球系统模式的真实性。初始起始条件（或分析）是通过数据同化产生的 - 其中对地球系统的数百万次观测与短程预测进行最佳组合。

对于大气，ECMWF使用一种称为四维变分数据同化（4D-Var）的系统 - 这种方法于1997年推出，一直在不断发展和改进。4D-Var吸收各种观测结果的强大能力导致高质量的分析，并且部分取决于我们地球系统模式的质量。

如果数据同化过程中使用的短期预测与观测值相距太远，则无法以最佳方式使用观测值。这意味着观测的积极影响可能会减少，在某些情况下根本无法使用。因此，除了数据同化本身的改进之外，更准确的短期预测还改善了观测的使用和影响，从而改善了下一次预测的初始条件。

4D-Var和我们地球系统模式的高质量，包括观测本身的建模，为被称为“全天空”数据同化的突破铺平了道路。在此之前，很难使用来自受云层和降水影响地区的卫星数据。这使得全球大部分地区只有稀疏的地面测量，以保持观测的预测。

“全天空”系统继续带来好处，之所以成为可能，是因为进行了广泛的研究，以改善预报模式中云和降水的表示，以及我们对这些“潮湿过程”如何影响卫星辐射的理解。

环境服务和社区建模

ECMWF的地球系统模式现在被广泛用于与影响相关的环境应用和服务，例如预测洪水风险和空气质量。

ECMWF实施哥白尼气候变化服务（C3S）和哥白尼大气监测服务（CAMS） 。我们还为哥白尼应急管理服务（CEMS）做出贡献，并与哥白尼海洋环境管理服务（CMEMS）密切合作。通过不断努力扩展我们的建模以涵盖广泛的地球系统过程和相互作用，这些应用成为可能。

空气质量和大气中温室气体水平的上升令人严重关切。ECMWF的IFS在CAMS中用于提供一系列运营服务，例如欧洲空气质量预测，太阳能部门的信息以及臭氧层的监测。

ECMWF的重新分析提供了全球过去天气和气候的最完整图片。它们是通过使用我们的IFS 4D-Var数据同化过程将短程预测与过去的观测结果混合而获得的。ECMWF最新的再分析ERA5构成了每月C3S气候公告的基础。

2020年1月相对于1981-2010年的地表气温异常。数据来源：ERA5。图片来源：哥白尼气候变化服务/ECMWF。

ECMWF运营着欧洲洪水意识系统（EFAS）的计算中心，该系统是CEMS的一个组成部分。该中心还运行和管理全球洪水意识系统（GloFAS），并作为CEMS的一部分在野火信息系统中发挥作用。ECMWF的分析和预测的质量使得能够对洪水和火灾风险进行现实建模。

OpenIFS是IFS的一个版本，被ECMWF成员和合作国的大学，研究机构和气象服务广泛用于一系列用途（包括气候建模）。

OpenIFS和ECMWF的IFS的其他元素构成了EC-Earth的一部分，EC-Earth是由欧洲范围内的财团作为社区工具开发的欧洲地球系统模式。EC-Earth被广泛用于促进对地球系统及其气候的科学知识，并帮助发展气候服务。

ECMWF的地球系统模式未来将如何发展？

我们的运营目标之一是提前几周改善对高影响天气的预测。我们的地球系统模式仍将是实现这一目标的科学发展的核心。

作为我们2030年战略的一部分，ECMWF还启动了一项名为“全天空，全地表”的数据同化新计划，以更多地利用陆地，雪和海冰上的卫星数据。这一发展在很大程度上依赖于进一步改进我们在地球系统模式中表示陆地表面和海冰过程的方式。

在我们的分析和预测中，提高地表附近的准确性和细节也将对更广泛的环境应用和部门非常有益。

百亿次级超级计算机的出现现在使公里级的全球地球系统建模成为可能。相比之下，在2022年初，我们的中程高分辨率预测的水平分辨率为9公里。

在接近1公里的分辨率下，有可能至少部分地解析深对流 - 这是地球系统全球数值模式向前迈出的重要一步。深对流是指通过大气层上升的温暖潮湿空气的羽流，其规模小于当前的全球模式网格。它在热带地区能量和水分的再分配中起着关键作用，推动了更大规模的环流，并影响了中纬度的天气。

这个1公里的模拟捕捉了2019年9月1日在巴哈马登陆的5级飓风多利安错综复杂的云结构。与NVIDIA合作的图像，由OMNIVERSE创建

NextGEMS项目正在帮助推进千米级的地球系统建模。将开发两个原型公里级（或风暴和涡流分解）全球地球系统模式 - 一个基于ECMWF的IFS（结合NEMO和阿尔弗雷德·韦格纳研究所的FESOM2模式），另一个基于马克斯普朗克气象研究所（MPI-M）和德国气象局的ICON模式。NextGEMS提供了解决天气和气候科学中一些最大知识差距的机会。

到本十年末，公里级模拟将支持ECMWF的运营预测。

地球的数字复制品

ECMWF的地球系统建模能力将为欧盟委员会一项雄心勃勃的计划做出重大贡献，该计划旨在创建地球的数字复制品。在这个目的地地球（DestinE）计划中，我们将与欧洲航天局（ESA）和欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT）等机构合作。

我们的角色是构建“数字孪生引擎”软件和数据基础设施，并使用它来交付前两个高优先级数字孪生体。关于天气引起的极端和地球物理极端数字孪生体将为评估和预测极端环境提供能力。气候变化适应数字孪生体将支持生成分析见解和测试预测情景，以支持区域和国家层面的多十年时间尺度上的气候适应和减缓政策。

数字孪生体将利用我们在全球数值天气预报方面的世界领先专业知识，以及我们在世界上一些最大的基础设施上展示的高级高性能计算、数据处理和机器学习方面的专业知识。正是ECMWF的地球系统建模和数据同化系统的质量，建立在多年的合作开发中，使这一雄心勃勃的目标成为可能。

DestinE推进了ECMWF成员国的长期投资，以建立独特的欧洲预测能力，并将支持成员国和欧洲服务的进一步发展，如哥白尼服务。

我们的运营预测系统的演变

我们的全球数值模式和数据同化系统的发展经常被纳入我们的运营预测。升级通常每年实施一次，例外情况下每年实施两次，如2021年。

到2023年，我们将看到我们的预测系统的重大升级。关键的变化将是我们的中距离融合预测的水平分辨率从18公里显着提高到9公里，使50名成员的融合达到与我们当前的高分辨率预测相同的水平。周期48r1还将为扩展范围的组件的配置带来重大升级。它不是从第15天开始的每周两次的中期预测的延伸，而是一个完全独立的系统，每天从00 UTC运行到第46天，有100名成员。48r1周期将是我们在意大利博洛尼亚的新数据中心生产的第一个ECMWF预测升级。

这一周期升级代表了ECMWF向前迈出的重要一步，旨在为对我们影响最大的天气现象提供更熟练的预测。

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