美国跨部门海洋预报能力计划概况及对我国的启示

潘 嵩

（国家海洋信息中心，天津 300171）

引 言

准确的海洋预报是保证一切海上活动顺利开展的基础，社会经济和国防军事活动对海洋环境信息的需求驱动着海洋预报技术的不断发展。社会经济活动对海洋预报的需求包括：海洋环境要素业务化预报，区域和全球气候变化预测及研究，海上航运、渔业、旅游、石油天然气开采等活动的保障服务，海上搜救、溢油等应急管理支撑。国防军事活动对海洋预报的需求有：舰艇的航行安全、作战训练、武器装备性能的发挥、维护国家海上权益、海外救援等。正因诸多涉海部门对海洋环境预报的需求有着诸多重合的方面，使之成为海洋领域跨部门合作的一个重要切入点。本文尝试在介绍目前美国海洋环境预报跨部门合作历史及现状的基础上，从中得到一些做好我国海洋环境预报领域跨部门合作的良好借鉴。

1 美国海洋环境预报跨部门合作历史概况

美国在环境预报方面的跨部门合作最早起源于天气预报领域。1954年美国国家气象局联合空军、海军的气象服务机构组成了联合数值天气预报中心（Joint Numerical Weather Prediction Unit），但该机构仅运行了4年即告夭折，随后上述三方分别组建了自己的数值天气预报力量。1964年，联邦气象办公室（Office of the Federal Coordinator for Meteorology，OFCM）宣告成立，虽然该组织在气象雷达研制、热带气旋研究等领域取得了一定进展，但也未能起到最初预想的联合各方研究力量的作用。

自20世纪90年代以来，随着卫星遥感数据海量化、数值预报系统功能多样化和计算资源大型化，数值天气预报机构的规模不断扩大。数值天气预报模式的发展也呈现专业化趋势，逐步衍生出高分辨率中尺度模式、全球模式、气候模式等，同时由确定性预报向集合概率型预报转变。需求方面，社会经济和国防军事活动对天气预报的准确度、时效性要求越来越高，定制化、精细化数值天气预报服务不断涌现。而各预报机构之间的交流合作却停滞不前，甚至在部门机构内部出现经费资助的不良竞争。因此，组建跨机构联合预报单位的计划又再次被提及。在此期间，美国国会通过立法和行政手段，推动了一系列机构间合作计划的实施。

美国国会于1996年实施了国家海洋学伙伴关系计划（National Oceanographic Partnership Program，NOPP）。该计划的目标是通过提高对海洋的认知，来为国防安全、经济发展、国民生活水平提高、教育和科普等领域服务。美国国防部下属的陆军工程兵部队（United States Army Corps of Engineers，USACE）、海岸警卫队（United States Coast Guard，USCG） 和海军研究局（Office of Naval Research） 作为主要成员参与其中。NOPP的一个重要贡献是在美国全球海洋数据同化实验计划（U.S.Global Ocean Data Assimilation Experiment，U.S.GODAE） 的资助下，通过建立部门间合作机制，建设了基于HYCOM模式的海洋预报系统，该系统现已用于美国海军和美国国家天气预报中心的业务化预报工作。

2000年，美国气候变化与可预测性研究计划 （US Climate Variability and Predictability，USCLIVAR）实施，海军研究局是其主要资助单位之一。该计划关注全球气候在不同时间尺度的可变性和可预测性，重点关注海洋在气候变化中所起作用。美国CLIVAR计划扩充了于1989年实施的全球变化研究项目（US Global Change Research Program，USGCRP） 的内容，并向联合国气候研究计划（the World Climate ResearchProgram，WRCP）提供相关的研究成果。

2010年，环境资源与可持续利用委员会（Committee on Environment，Natural Resources，and Sustainability，CENRS） 在美国国家科学技术委员会（National Science and Technology Council，NSTC） 指导下成立。该组织成立旨在推动自然环境、自然资源和可持续利用领域的科技研发、成果应用与交流合作。在CENRS的框架下，一些下属的专业委员会也相继成立，涉及空气质量、极地研究、防灾减灾、水资源管理、海洋科学、地球观测等领域[1]。

同时，在具体个案合作层面，美国也做出了一些尝试，这其中具有代表性的当属美国国家环境预报中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP） 和海军舰队数值气象海洋中心（Fleet Numerical Meteorology and Oceanography，FNMOC） 联合发布的集合风浪预报产品NFCENS（NCEP-FNMOC multicenter wind-wave ensemble system）。NFCENS整合了来自FNMOC和NCEP的有效波高预报产品。两者均采用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ，采取相同的模式配置和计算区域，区别在于两者使用的气象驱动场来自不同的天气预报系统[2]。

但是，以上这些计划和项目的实施没能从根本上解决各机构间研发和业务化运用等方面的合作问题。因此，美国海洋与大气管理局、空军、海军三方于2008年签署战略合作协议，共同发起了国家统一业务化预报能力计划（National Unified Operational Prediction Capability，NUOPC）[3]。

2 NUOPC计划

2.1 NUOPC计划简介

NUOPC计划旨在通过建立各机构之间的合作，统筹考虑各方共性需求，将业务化预报、科学研究纳入统一框架内，建立国家层面的多模块集合预报系统，将参与合作各方合计60多种全球气象模式预报产品整合为统一空间分辨率和时间序列。该计划设想使用联合集成预报达到以下效果：（1）显著提高预报精度；量化、减少预报不确定性；（2）提供最大概率预报，如极端天气预报；（3）提供专题集合预报产品；（4）为地区和局部高分辨率预报提供服务；（5）为其他下游模式和决策提供服务；（6）制定国家层面的研究规划，吸纳更多研究团队加入；（7）通过成果转化体制创新，加速高新技术在各自业务中心的业务化应用。

2.2 NUOPC成员组成

NUOPC成员由美国国家大气与海洋管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）、美国海军 （U.S.Navy）、美国空军（U.S.AirForce）各自相关的业务机构组成。

NOAA下属的国家气象局（NationalWeather Service，NWS） 提供气象、水文和气候预报预警服务，保护民众人身和财产安全，保障国家经济发展。美国国家气象局的数据和产品构成了国家级的信息数据库和基础设施，供其他政府机构、私人部门、公众和国际组织使用。其下属的国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP） 负责气象数据归口管理，供用户分析、制作种类繁多的环境保障信息产品。同时，NCEP还负责将这些保障、预报、预警和分析产品分发到众多的用户和合作机构。

美国海军海洋学家组织（The Oceanography of the Navy）与海军气象学与海洋学司令部（Commander Naval Meteorology and Oceanogra phy Command，CNMOC） 紧密合作，致力于美国海军海洋学计划（Naval Oceanography Program）的施行。舰队数值气象水文中心FN MOC提供每6 h的全球气象和海洋数值和预报产品，保证舰队安全、作战效率和国家安全。

空军气象局（Air Force Weather Agency，AFWA）是美国空军的气象业务领导机构，其任务是利用及时的、精确的和相关的气象信息使得美军在任何时刻、任何地点的实力最大化。AFWA将及时准确可靠的环境状况信息提供给空军、陆军、联合作战人员、联合指挥部、国家智库机构和国防部长。AFWA构建了一个综合气象数据中心，整合了预报、气候态和太空气象产品，这些产品和服务被国防部用于全球军事行动、紧急任务执行等。

2.3 NUOPC管理模式

NUOPC的组织架构见图1。NUOPC通过设立一系列跨部门的专业委员会和工作小组来保证各方的运转，其中包括技术转化委员会（Technology Transition Processes Committee，TTP）、通用模式架构委员会（Common Model Architecture Committee，CMA）、标准委员会（Content Standards Committee，CSC）、统一运行委员会（Unified Ensemble Operation Committee，UEO），本文在这方面做着重介绍。

图1 NUOPC组织架构

技术转化委员会TTP负责在其他研究团体和成员的研发业务中心之间建立良好的合作和互动机制，使得成员能够在最短时间内得益于最近的研究成果。TTP的主要工作包括：（1）基于业务需求制定国家研发战略；（2）扩展与其他研究团体的合作；（3）建立标准化的配置管理和技术转化流程；（4）出台新技术适用性评价标准。

技术转化委员会TTP下设三个附属机构：（1）研究需要专家小组：协助制定国家研发战略，管理NUOPC的伙伴关系计划；（2）研究转化团队，执行转化程序，审查各机构的配置管理需求，管理NUOPC的访问学者计划；（3）科学标准专业委员会：制定统一的预报结果评估标准和方法。技术转化委员会成员由三个成员机构和国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR），国家航天航空局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）以及其他科学团体的代表组成。

通用模式架构委员会CMA负责定义一个具有可拓展性的实体架构，用来实现天气预报各个组分之间的可互动性。该实体架构被定义为科学意义上的组分集合，需要明确各个组分包含的流程及与其他组分之间的关系。CMA成员来自各大模式研发机构，如NOAA的环境模式中心（EnvironmentalModelingCenter，EMC）、地球物理流体动力学实验室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory，GFDL） 和地球系统研究实验室（Earth System Research Laboratory，ESRL）、海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）、NASA 的太空飞行中心全球建模与同化办公室（Goddard Space Flight Center Global Modeling and Assimilation Office，GMAO）以及来自大学相关领域的研究团队。

标准委员会CSC主要负责NUOPC互用性标准的建立和完善，如元数据、文档、物理常数和其他需要通用数值和格式的领域。标准委员会需要与地球系统模型框架系统（Earth System Modeling Framework，ESMF） 的核心开发团队（Core Development Team，CDT） 进行协调，确保系统的开发符合相关的标准。同时，CSC需要与CMA合作，保证制定的标准能够适用于未来的预报系统。标准委员会成员由三个成员机构的业务中心和研发机构，其他政府机构如美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、国家能源部（DepartmentofEnergy，DOE）、联邦航空管理局（FederalAviationAdministration）、国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）以及大学的相关领域研究团队组成。

统一运行委员会的职责是确保上述三个委员会在具体问题上的协同合作，包括信息安全和网络运行（Information Assurance and Network Operations）、集合预报产品制作（Ensemble Production）、集合产品后期处理（Ensemble Post-Production）。UEO针对上述三个方面设立对应的工作小组，并在成员机构派驻具有专业背景的代表。

3 N-ESPC计划

3.1 N-ESPC计划简介

2010年，在起初NUOPC的基础上，通过新增成员机构美国宇航局（NASA）、国家能源部（DoE）和国家科学基金会（National Science Foundation，NSF），美国发起了地球系统预报能力计划（The Earth System Prediction Capability，ESPC）。该计划旨在促进联邦政府资助的各研究机构和业务预报团体的合作，通过数据融合技术整合全美的全球气象模式，利用高性能大型计算能力，耦合各类海洋、陆地、冰和空间模式，建立和发展一个综合性的地球物理预报系统，提升全球气候和天气预报的业务能力和科研水平。ESPC的建设目标如下：（1）通过数据融合、模式耦合技术建立一个集合预报系统；（2）设计一套能够满足各成员能力需要的统一的规范标准；（3）为制定全国性的提升预报能力的研究规划提供帮助；（4）致力于政府机构、研究团体之间的学术交流[4]。

由于NUOPC和ESPC之间在工作内容和成员上有很多重合，2014年NUOPC与ESPC正式合并为国家地球系统预报能力计划（National ESPC，N-ESPC）。与ESPC相比，除了继续强调提高各机构之间的合作之外，N-ESPC更加看重满足不同成员机构对不同时间尺度的预报要求：从天气尺度、亚季节尺度、季节季度、年际尺度再到气候尺度，从交通运输、应急管理、农业生产、能源开发、水资源利用等民用领域到国防安全、海上军事行动等军事领域 （图 2）。

图2 决策需求与预报时间尺度对应关系

由于不用部门对预报的空间和时间尺度的需求差异，目前的技术还不足以开发一个能够实现时空跨度如此广阔的独立预报系统，因此N-ESPC的最终目标是将不同时间尺度、不同分辨率的预报系统进行整合，形成一套基于多套数值预报模式的组系统，实现对地球系统的所有圈层（大气、海洋、陆地）的物理现象的数值模拟，从而为不同机构和个人提供现实和预报信息产品服务。为了达到这个目标，该组系统需要建立一个通用的模型架构来保证各组分之间的互通性，同时还要做好通过数据同化、数值模拟、后处理、产品制作等多方面的网络整合工作。

3.2 N-ESPC成员组成

NSF作为国家战略计算倡议（NationalStrategic Computing Initiative，NSCI） 的领导机构，委托其下属的地球科学理事会（Geoscience Directorate） 负责N-ESPC中的数据同化和预测科学的相关工作，负责为N-ESPC扫除分布式计算、存储以及集合预报中的技术障碍。

NASA拥有的大量观测数据、强大的计算模型、数据同化技术和再分析技术，这对于地球系统模式来说至关重要。如NASA和DOE合作的模型比对观测计划（Observation for Model Intercomparisons Project），NASA的数据在模型-观测比对中发挥了重要作用。NASA的数据同化技术有利于新兴卫星遥感传感器的研发和评估，并加速它们的业务化应用。NASA已经发布了MERRA、MERRA-2系列再分析产品用于气候评估，涵盖了许多水文学要素。

NOAA的下一代全球预报系统（Next-Generation Global Prediction System，NGGPS） 能够通过对现有预报系统的改进，如应用新的数据同化技术、优化软件架构和完善系统工程等手段，提高天气预报的精度，从而为N-ESPC的组系统提供天气尺度的贡献。国家多模式集合系统 （National Multi-model Ensemble，NMME）为通过分布式计算提高年度尺度的预报能力提供了良好借鉴。在NMME的机制下，参与的模式具有两用特征（dual-use）：一方面加深了科学理解，另一方面为官方提供了与较长时间尺度匹配的可信度的预测结果。

DoE的改进型能源气候模式（AdvancedClimate Model for Energy，ACME） 专注于气候变化下的水循环、生物化学、低温系统方面的研究。ACME的时间跨度为过去40年至未来40年，同时兼顾了季节尺度和亚年代际尺度。ACME更大的意义在于技术上的突破，通过优化代码和库，在减少了电量消耗的同时提高了程序的运行效率。ACME将是N-ESPC组系统的重要一环。它的空间高分辨率和冰冻圈-海洋圈相互作用将为科学决策提供科学预测。

海军负责推动耦合全球地球系统预测，资助研究领域包括：耦合计算、数据同化和模式开发等。各成员机构主要职责见表1。

表1 N-ESPC中各成员机构职责

3.3 N-ESPC管理模式

N-ESPC的执行领导小组（ExecutiveSteering Group，ESG） 是最高领导机构，通过联合各参与机构力量，推进计划的总体进度，并对项目办公室（National ESPC Project Office） 和代表进行监督和指导。ESG实行轮值主席制度，由各机构负责业务化数值预报的负责人轮流担任，任期三年。

机构联络人（Agency Liaisons） 作为机构负责人的代理人，负责N-ESPC倡议项目中的协调工作。机构联络人需要表达自己机构在计划、合作和执行方面的诉求，同时为其他机构的项目和经理提供必要的帮助。机构联络人负责向机构负责人和项目经理定期汇报。

项目经理（Project Manager） 作为ESG的决策执行者，总体负责N-ESPC的管理工作：如制定工作计划，关注和汇报决策实施的总体进度，资源分配和项目资助等。项目经理实行轮值制度，任期三年。同时还设置项目副经理（Deputy Project Manager） 与研发副经理（Associate Project Manager for Research and Demonstration），协助项目经理开展工作，任期与项目经理相同，但不能与项目经理来自同一机构。

图3 N-ESPC组织架构

3.4 N-ESPC近期进展及应用情况

经过近10年的努力，N-ESPC取得了可观的合作成果，主要包括：建立了一套统一的地球系统模式框架结构；形成了多源卫星数据同化合作机制；初步整合集成了各方的海洋、波浪、陆地、海冰和冰川模式；开发了辐射传输模型、气候和相关生化模型等大气模式组件等。同时为了检验整个跨机构合作机制的实际运行效果，N-ESPC还分别针对不同的海气相互作用自然现象，启动了极端天气事件、季节性热带气旋威胁、北极海冰范围及季节性无冰日、近岸赤潮、大西洋近岸翻转流等5个预报演示项目并取得了良好的示范效果。

4 对我国的启示

加强顶层设计规划。美国天气和海洋预报领域的跨部门合作，亦是在国会通过立法和行政手段加强干预后步入正轨的。随着我国海防战略向“近海防御、远海防卫”转型以及海洋经济在整个社会经济发展中的地位增强，理应将海洋预报跨部门融合上升为国家意志，集中力量开展该领域的专题研究分析，基于研究分析成果制定海洋预报领域跨部门发展中远期规划。

建立高层协调机制。我国可借鉴NUOPC和N-ESPC的经验，成立多部门联合协调机制，组建相应领导机构。指派具备专业背景的人员总体负责机构运维，对接参与协调机制的各方的个性与共性需求，在不干扰各自正常业务工作的前提下，着重建立和完善沟通联络体系，统筹各方资源和行动，减少沟通成本和资源浪费。同时注重吸纳各部门优秀智力资源，组建跨部门专业委员会或技术专家团队，在领导机构统一管理下提供专业咨询建议。

加速研发成果转化。建立健全相应配套政策和机制，加速研发成果转化。充分对接实际需求，提炼研发项目清单，联合制定转化计划，确保在功能需求、完成时限和与现有业务兼容性等方面达成一致。在新技术或系统进行部署后，应用团队应及时进行效果反馈，以便研发团队进行改进，从而推进各方海洋预报的业务化融合。

加快关键技术突破。通过应用数据同化将多源观测数据充分应用在模式计算中，提升预报初始场和参数化方案的质量；通过在统一框架内建立大气-海洋-海浪-海冰-陆地的耦合，建立地球动力环境预报组系统；通过采用集合预报模式，最大限度降低预报不确定性；通过采用分布式计算等方法，基于高效安全的网络传输环境，实现各方计算资源的充分整合。