2021年12月23日，中国气象科学研究院（以下简称气科院）的多尺度非静力天气-气候一体化数值模式（以下简称一体化模式）的全球五公里风暴解析模拟试验数据送至德国马普气象研究所。这将是首个来自中国的模式参与国际风暴尺度模式比较计划（DYAMOND）。

全球公里尺度模式，被认为是有望加快推进0—90天无缝隙天气预报的重要科技手段，也是当前国际各大数值模式中心的研发焦点。2017年，德国马普气象研究所和东京大学，联合发起DYAMOND，气科院一体化模式将参加该计划第二阶段。

天气-气候一体化模式系统框架示意图。 制图人：张祎

一体化模式采用了我国地球系统科学领域自主研发的非结构网格大气模式动力框架，能准确刻画公里至百公里分辨率的多尺度大气动力学特征。基于标准化的非结构网格连通性和数据结构，一体化模式可在不同类型的球面准均匀网格乃至连通性更不规则的局部加密型网格设置下运行，可兼顾全球大气环流场与区域中、小尺度特征的模拟，有助于摆脱有限区域模式对侧向边界条件的依赖问题，提高模式对中小尺度精细化天气过程的刻画能力，提高模式的有效预测时效。此外，在模式发展层面，局部加密的一体化模式也为未来全球均匀公里尺度模式的研发奠定了基础。

动力内核是模式发展过程的一个关键点，决定了模式系统的总体稳定性、可扩展性和计算效率。在算法设计方面：

模式利用对快波具有优异刻画能力的六边形C网格进行水平离散，并基于控制体积层平均化垂直离散方案进行三维动力系统求解；

为了满足模式对不同时空尺度的模拟要求，动力框架采用一体化的静力-非静力求解器；

利用高效准确（无垂向声波）的静力求解器进行静力域积分，在非静力域，则可通过开启非静力求解器来潜在加强对精细尺度大气现象（如强风暴）的模拟能力。

这些设计选择为模式在不同时空尺度的应用提供了最优化配置。

面向实际应用，模式的物理-动力耦合是另一大难题。团队设计了通用物理-动力耦合流程体系，可满足不同类型物理-动力耦合，这是现阶段实现全时空尺度天气-气候一体化模拟的关键。

气科院灾害天气国家重点实验室的天气-气候一体化数值模式研发团队组建于2017年，五年来，团队追逐着自主创新这盏航灯，在数值预报“国产化”道路上一路前行。为实现数值预报“中国梦”，团队成员众志成城、攻坚克难，一体化模式实现了上层模式原型和底层基础设施的分离，大大提高了分工协作效率。

完成首个模式原型的搭建后，团队成员前往高性能计算团队所在地无锡，开展了为期一个月的封闭测试，从不同层面检验模式算法设计和底层基础配置等的正确性。在实现从零到一的突破后，团队采取快速迭代的逐级复杂度研发策略，开发速度和协作效率进入加速期。

天气-气候一体化模式全球风暴解析模拟高清图，由Florian Ziemen ESiWACE2 DKRZ制作。

科学研究提倡开放与交流的态度。非结构网格大气模式动力框架的相关研究成果已在本领域国内外重要期刊发表，不同研究背景的审稿人从不同角度给出了肯定和赞扬——“一种新颖的数值构造”“高度有价值的贡献”“非常灵活的系统”“模式对降水的模拟很成功”……而参加国际风暴尺度模式比较计划，意味着我国在全球模式发展前沿科技阵营占据一席。

尽管一体化模式的研发已取得喜人进展，但团队成员们继续探索的步履不停。目前，新一轮的研发周期正在有序开展，如提升模式的计算效率、加强模式在极端环境下的稳定性、继续发展和优化模式物理过程……此外，基于该大气模式，团队已构建了面向未来的全球公里级地球气候系统耦合模拟框架，海洋、大气分辨率均为五公里的耦合模拟试验也已顺利展开。

中国气象报社 出品

原标题：《我国自主研发新一代全球多尺度大气模式动力框架》

阅读原文