2022年赤道中东太平洋拉尼娜事件持续，全球极端天气频发重发。国家气候中心最新预测表明，南海夏季风将于5月第3候爆发，较常年（5月第4候）略偏早（注：气候上以5天为一候，如5月第3候就是5月11-15日）。南海夏季风的爆发，意味着我国将全面进入主汛期。5月中旬开始，我国华南地区将有明显的强降水过程，需防范可能引发的雷雨大风等强对流天气。
灾害性天气的发生每年给全世界带来巨大的国民财产损失和人员伤亡。如何改进和提高灾害性天气数值预报的初始场，成为国内外研究和关注的重要气象科学和技术问题之一。近年来的研究表明，资料同化在改进天气系统预报尤其是短期天气预报方面有着显著效果。随着我国观测资料的多样化和观测技术手段的提高，以及国家投入的不断增加和数值天气模式的不断改进，有效利用现有观测数据和逐步完善资料同化系统，对提高灾害性天气预报有着巨大的促进作用。
得益于我国气象事业的快速发展，各类观测设备获取的海量数据为更加精准的气象预报提供了数据基础。然而，不同观测设备获取观测资料存在时空方面的不协同和观测误差的不统一问题，如果没有合适的资料同化分析系统，海量的气象数据有可能会对预报效果产生反作用。
系统概况
中科星图股份有限公司旗下子公司——中科星图维天信（北京）科技有限公司（以下简称“星图维天信”）基于多源资料融合分析技术，结合我国现有的各类观探测数据（常规观探测、卫星遥感、雷达、闪电、gps水汽等资料），利用时空多尺度连续变分方法，在数据质控的基础上，完善和强化了适用不同尺度天气、不同区域复杂背景的多源资料融合技术，构建了新一代时空多尺度同化分析系统，实现了对包括地面、高空、卫星、雷达等多源资料快速实时融合分析，分析变量包括温、压、湿、风、降水、云等气象信息。通过计算生成各种强对流指数产品，实现对局部地区强对流危险天气的监测预警，进而有助于进行更准确的灾害性气象预报分析。新一代时空多尺度同化分析系统架构如下图所示。
新一代时空多尺度同化分析系统架构
系统能力
为了得到更准确的气象初始场数据，新一代时空多尺度同化分析系统采用基于多重网格技术的连续变分方法替代了传统的客观分析方法，同时结合标准统计分析和传统客观分析（如cressman分析、barnes分析）的优势，对不同分析尺度使用适当平衡和动力约束。多重网格法将分析区域分成不同分辨率的多层网格，用格点数去控制分析尺度。对于一个给定区域的设定格点数，只有有限尺度的波可以解析，格点数越多，就会分辨出越小的波。如此，在保证数据用量的基础上，生成了更精准的气象预报初始场（分析场）。
新一代时空多尺度同化分析系统利用同化分析结果，可对用户指定区域进行快速循环同化。基于geovis气象海洋数字地球业务平台，将新一代时空多尺度同化分析系统和数值天气预报模式以及可视化管理和欧洲杯手机投注的产品展示技术集成起来，建立快速循环同化数值预报系统（以下简称“预报集成系统”）。
为了对用户指定区域进行更精准的预报，预报集成系统对气象数值模式所使用的边界层、微物理、积云对流、长波辐射和短波辐射参数化方案进行敏感性试验，通过统计检验的方法，计算均方根误差，空间相关系数，ts评分等；对预报的温度、风速海平面气压等常规气象要素进行检验，同时评估对暴雨、台风等灾害性天气过程的预报能力，综合各方面能力选取最适合指定区域的参数化方案进行预报。例如，在新一代时空多尺度同化分析系统基础上，预报集成系统对2021年第9号台风卢碧引起的降水量进行了预报，其降雨量和空间分布特征与再分析数据吻合，ts评分达到0.44，高于传统气象预报模式对暴雨的预报精度的要求。
台风卢碧降水量预报
利用新一代时空多尺度同化分析系统同化后得到的分析场，可进行高精度的连续预报。预报的空间分辨率可达2km，时间分辨率30分钟，预报时效168小时，可预报的变量包括如降水、温度、海平面气压、位势高度等常规要素，颠簸、风切变、总云量等航空要素以及cape、抬升指数等对流诊断产品。其中，预报集成系统的相对湿度、总云量和地面温度预报产品如下图所示。
相对湿度预报
总云量预报
地面温度预报
在地面和高空的各个气象变量进行同化与预报基础上，预报集成系统能够对常用的气象要素进行组合分析，更好地服务于用户。例如，通过温度和风场的组合，可供用户了解风场对热量的输运；通过气压和风场的组合，可供用户分析目前的大气运动状态和未来的变化趋势。
温度、风速和气压预报
大气的温湿和风速廓线对各类天气过程的分析尤为重要。为了获得更精确的大气廓线，新一代时空多尺度同化分析系统中垂直方向设置了30层，并在后续气象数值模式预报中从地面到高空加密设置为60层，同时在近地面层进行了加密处理以模拟更精确的大气边界层。在预报集成系统中，用户选择和展示任意气压层的气象预报数据，通过图形可视化选择和展示方式，将模式层数据插值到传统的气压层。同时，可在系统界面上任意选取某一格点，绘制大气廓线，可供分析大气的垂直稳定度、逆温层、风切变等气象特征。
温度、湿度和风速的探空分析
预报集成系统还可以进一步开展常规气象数值预报产品数据分析，例如，提供对流诊断产品。对流有效位能诊断分析产品是评估大气是否稳定、对流是否容易发展的指标之一，对恶劣强对流天气（雷电、暴雨、冰雹等）的预报具有重要的指导作用。如图所示，预报集成系统提供高时空分辨率、高精度的对流有效位能预报，可实现对危险天气的实时追踪和预报，有力保障航空安全。
对流有效位能预报
结语
新一代时空多尺度同化分析系统避免了传统数据同化的关于背景误差协方差的一些不合理假设，以及节约在大尺度的计算时间和详细提取小尺度的信息，进而合理缩短同化过程的计算时间，促进资料同化技术在数值预报中的应用和研究发展，为提高预报精准率提供科学技术支撑。
“十四五”期间，中科星图股份有限公司践行集团化、生态化和国际化战略，星图维天信是其发力气象生态的落脚点和抓手。大道行思，取行则远。展望未来，星图维天信将不断进取，持续深入气象科技创新研发，加强新一代信息技术融合应用，推动我国气象信息化高质量发展，为达到精准气象预报、精细气象服务不懈努力。