會預報天氣的葡萄？這是甚麼超能力？難道是最新的黑科技？其實，此「葡萄」非彼葡萄，它是指中國氣象局自主研發的數值預報系統。該系統的建立標誌着中國已經成為國際上少數幾個擁有自主數值預報系統的國家。

會預報天氣的葡萄？這是甚麼超能力？難道是最新的黑科技？

其實，此「葡萄」非彼葡萄，它是指中國氣象局自主研發的數值預報系統，全稱為Global/Regional Assimilation and Prediction System全球/區域同化預報系統（簡稱GRAPES）。該系統的建立標誌着中國已經成為國際上少數幾個擁有自主數值預報系統的國家。那麼，這個「葡萄」究竟有什麼特別之處呢？它如何預報天氣？又是怎樣培育出來的？

「葡萄」的成長

古時，人們往往從經驗出發，「看雲識天氣」。因此也流傳下來許多類似「朝霞不出門，晚霞行千里」、「空中魚鱗天，不雨也風顛」、「天有城堡雲，地上雷雨臨」的氣象諺語。

一般認為，現代天氣預報始於天氣圖的誕生。1854年11月克里米亞戰爭期間，英法聯軍因黑海風暴一度受挫。事後，法國政府命巴黎天文台台長勒威耶（U.Le Verrier）查明風暴的來龍去脈。他發現，如果及時發現風暴並預報它的移動，損失是可以避免的。所以，勒威耶提出組織氣象觀測網，將觀測資料集中起來繪製天氣圖，預測天氣變化。此後，繪製天氣圖成為天氣預報的一項日常工作，並陸續推廣至其他國家。這種方法直到今天，也仍不失為一種有效的預報手段，但它的準確率及便捷程度不夠高。

       隨着科技的進步，數值預報系統應運而生，人們利用它製作數值天氣預報，真正讓天氣走在了時間前面。因為大氣是一種流體，其運動軌跡可以用流體力學的公式計算出來。這套公式即數值模式，也是數值預報系統的靈魂。但是，數值模式無法直接識別衛星、雷達等儀器捕捉到的觀測資料，需要先將資料處理成模式能消化的數據，轉化資料的過程被稱為資料同化。接着，超級計算機根據數值模式進行運算，計算結果由預報員分析，最終得出我們平時看到的天氣預報。

數值預報系統涉及衛星、雷達、超級計算機等多種技術，它提高了天氣預報準確率，也能預測未來更長時間的天氣。因而被譽為氣象事業的「芯」，是氣象事業最重要的核心技術。

中國在這一領域的研究起步晚，很長一段時間都依賴於引進國外的系統，將歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的數值預報系統作為參考的主要模式。那麼，為何不繼續引進，而選擇投入大量人力物力以及時間去研發自己的數值預報系統？

一方面，引進需花費重金。另一方面，實際應用過程中，國外系統沒有考慮中國獨有的氣象地理環境。加之國外的核心技術始終保密，我們發現了問題難以從根本上改進，用起來限制重重。中國氣象科學研究院前院長張人禾2008年指出，中國是一個氣象災害頻發的國家，上世紀九十年代以來，平均每年因各種氣象災害造成的農作物受災面積達4800多萬公頃，受災人口約3.8億人次，直接經濟損失達1800多億元，約佔國內生產總值的2.7%。如此嚴重的情況之下，「水土不服」的國外系統無法充分滿足防災減災、保障國民經濟、社會發展和民眾生命財產的需求。

因此，1999年內地開始研發GRAPES全球/區域同化預報系統，播下「葡萄」的種子。2001年， GRAPES先在區域模式上取得成功。然而種植「葡萄」並不是一帆風順的，因為數值預報系統每一個環節都是一門學問，各個關鍵環節計算方案需要反復推敲，「牽一髮而動全身」的情形時常出現，僅僅是一個微小的問題都可能導致整個系統性能下降，甚至全部推翻重來。經過數年的回報試驗，克服一系列技術難關後，2016年，「葡萄」終於熟了， GRAPES全球預報系統正式業務化運行並面向全球下發產品，被視為數值預報技術體系全面實現國產化。

特别的「葡萄」

GRAPES解決了內地數值預報長期面臨的資料不能有效利用的問題。雖與ECMWF（歐洲）、NCEP（美國）和日本等國際主流同期數值預報產品相比尚存在一定的差距，但它的各項性能指標已總體超過內地現行的全球業務模式系統T639，開始與T639共同服務於中國的氣象事業（因GRAPES投入業務運行時間還不長，未能完全取代T639）。

T639是引進集成和再創新的模式，其核心技術是之前從美國和歐洲引進的，它的主要問題在於所用資料較少，衛星資料佔比不超過30%，無法有效使用國家花費幾十億開發的氣象衛星和氣象雷達。而GRAPES採用了四維變分同化系統（4DVAR），資料應用水平遠遠超過T639，衛星資料佔比達到70%。衛星資料同化方面優勢明顯，這是一個很大的技術進步。

為什麼僅憑應用資料的多少就可以判斷兩個系統的高下？

因為數值預報系統處理資料時與人類學習相似。我們在學習的過程中掌握的知識愈多，成績自然會愈好，同理，數值預報系統能否成功預報也主要與數值模式和各種觀測資料的吸收有關，當T639和GRAPES的數值模式都日臻完善，模式誤差得到有效控制，那麼哪一個系統能應用更多的資料就成為關鍵。GRAPES不僅能對常規的高空、地面觀測進行同化，還實現了對衛星垂直探測器的輻射率資料、多普勒天氣雷達遙感資料和衛星導出產品的直接同化，大大擴展了數值預報中觀測資料的使用範圍。

「葡萄」的應用

目前，GRAPES已開發了一系列可用於不同領域的數值預報模式：

GRAPES區域中尺度數值預報系統（GRAPES-Meso），對中國區域的降水進行短期60h以內預報，如降水發生區域、降水強度、降水出現時段等。

GRAPES颱風預報模式（GRAPES-TCM）對颱風路徑類型、強度、登陸過程以及移向或移速突變等都表現出良好的預報性能，24h颱風路徑預報誤差連續五年小於美國、日本氣象部門。

在對2018年於上海登陸的10號颱風「安比」的監測中，風雲四號氣象衛星和GRAPES全球數值預報系統的互動，可算是「葡萄」發揮作用的一個典型例子。7月23日，GRAPES向3.6萬公里高空上的風雲四號發出指令，風雲四號展開對地面的觀測，觀測資料及時回傳，實時同化到GRAPES的4DVAR系統中，得到資料後的GRAPES計算出颱風危及的敏感區域，提前掌握颱風路徑和降水特徵，為精準預報「安比」的影響提供了技術支撐。

GRAPES沙塵暴預報模式（GRAPES-SDM），基本上可以準確地預報出中國沙塵暴的發生與發展。

GRAPES雷電預報模式，對北京地區的幾個個例進行的數值模擬結果表明其有着良好的大氣雷電預報能力。

與GRAPES相嵌套的雲降水顯式方案，所預報的雲結構和相態分佈為人工影響天氣業務提供了指導。

2008年GRAPES短時臨近天氣預報系統（GRAPES-SWIFT）與美國、加拿大等國際上七個系統一起為北京奧運會和青島奧帆賽提供氣象保障服務，現已在全國各地推廣應用。

「遠渡」的「葡萄」

除了在國內廣泛應用外，「葡萄」也隨「一帶一路」倡議一起走出了國門。

「一帶一路」沿線多數國家與中國的情況相似，氣象災害頻發，並且這些國家監測能力相對較弱。而中國氣象方面的技術日益成熟，在「葡萄」的支持下，內地24h晴雨預報準確率、最高溫度和最低溫度預報準確率、暴雨預報準確率悉數提高，達到世界先進水平。簡單地說，就是看了天氣預報不下雨出門卻下雨的可能性已經很小。

截至2017年6月，「葡萄」產品數量已增至70種，包括23種歐洲中期天氣預報中心所沒有的但在內地氣象預報業務中有需求的產品，形成了有特色的產品體系。這些準確率高、內容豐富的產品通過中國氣象局衛星數據廣播系統等途徑出口到泰國、越南、菲律賓等東南亞國家以及烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦等中亞國家。

好似一個奇妙的輪迴。公元前二世紀，張騫出使西域，開闢絲綢之路，將葡萄這種水果帶到中原。二十一世紀的今天，由中國研發的「葡萄」數值預報系統「遠渡」他國，為提升當地災害性天氣預報能力、延長預警時效、增強數值預報產品在災害性天氣預報中的應用技巧等作出「中國貢獻」。

參考資料：

《GRAPES「隔空指揮」風雲四號加密觀測》中國氣象報 2018/8/7

《天氣預報「中國芯」，你知道多少？》中國氣象局 2018/5/7

《GRAPES全球數值預報系統：十年磨一劍》中國氣象局 2016/1/26

《我國自主研製的全球/區域一體化數值天氣預報系統GRAPES的應用與展望》中國工程科學  2012年第14卷第9期

《中國國家級新一代業務數值預報系統GRAPES的發展》中國科學 2008年第53卷第20期