海洋数值预报系统性能评估技术规程编制说明

海洋数值预报系统性能评估技术规程编制说明一、制定标准的背景、目的和意义 1二、工作简况 2三、标准编制原则和确定标准主要内容 4四、主要试验(或验证)的分析、综述，技术经济论证，预期的经济效果 5五、标准水平分析 12六、与有关的现行法律、法规和标准的关系 13七、重大分歧意见的处理经过和依据 13八、标准作为强制性或推荐性国家(或行业)标准的建议 13九、贯彻该标准的要求和措施建议 13十、废止现行有关标准的建议 13十一、其他应予说明的事项 141义海洋环境预报系统建设作为海洋环境安全保障的核心支撑，一直以来都是各海洋强国竞相发展的要地。美国业务化海洋环境预报系统主要由美国国家海洋局(NOS)和美国国家环境预报中心(NCEP)负责，该系统有完善的业务化系统结构，包括提供免费数据共享的观测数据平台、强大的网络来支撑数据传输和处理。业务化预报系统的每一步做到标准化和流程化，自动化水平较高。NOS的海洋服务业务化模型系统主要包括大洋环流、近海潮汐和海流预报，为物质输运、海洋环境保护和海洋资源开发提供技术支撑。NCEP主要负责大洋、近海、五大湖等区域的大气、海洋以及飓风等灾害性天气预报。欧洲业务海洋预报计划(MERSEA)集中了欧洲27个国家69个部门和研究所的科研力量，发展和整合全球和欧洲区域的海洋环境预报系统，由不同国家的科研机构或业务部门负责业务化运行。MERSEA旨在为用户提供全球及区域性海洋监测和预报服务，为安全有效的近海活动、环境管理和海洋资源可持续利用提供技术支持。我国从“十五”计划开始到现在，数值模式和预报系统建设也随着国家对海洋科学研究的重视及计算能力的提升得到快速发展，我国与发达国家在数值预报领域的差距逐步缩小。我国目前也已发展了包括海洋全要素的预报系统，预报范围覆盖中国海、全球各大洋和南北两极。在预报产品的检验评估方面，世界气象组织在2011年确定建立以ECMWF为核心的大气数值预报产品验证标准。此方案基于分析产品和观测资料，对气温、总云量、平均海平面压力等要素进行评价，设计了包括平均误差、均方根误差等指标的计算标准。ECMWF的年度技术报告详细介绍了天气、波浪和恶劣天气事件等的预测效果及月、季预报性能，将地表天气现象(例如降水和阵风)以及高空中的气象特征等各种预测性能指标纳入评价体系。在海洋数值预报产品检验方面，由于海洋模型选择、网格和参数设置等方面的差异，不同海洋环境预报系统预报精度和能力各有侧重。美国的全球海洋数值预报系统HYCOM/NCODA通过与卫星遥感观测和浮标数据对比，分析评价了预报产品对大尺度环流特征、涡动能、混合层深度及垂向温盐剖面的预报能力。2我国多家预报机构联合起草的《海洋预报结果准确性检验评估方法》，该评估方法虽然详细给出了检验内容、检验时效、误差统计和评分标准，为海洋数值预报产品的准确性检验提供了统计标准，但其未形成完整的验证体系。海洋模式之间的差异，加上观测数据的结构不统一，目前多采用单一标准进行预报产品评价，缺乏权重合理、指标全面、结构统一的验证标准体系。(一)任务来源和标准起草单位本标准任务来源于《自然资源部办公厅关于印发2021年度自然资源标准制修订工作计划的通知》(自然资办发〔2021〕60号)，立项名称为《海洋数值预报系统性能评估技术规程》，标准计划号为202120002。本标准负责起草单位为自然资源部第一海洋研究所，参加起草单位为中国石油大学(华东)、中国人民解放军91001部队和自然资源部北海预报减灾中心。(二)主要工作过程1.标准预研2021年10月—2021年12月，开展标准预研工作，成立了标准起草工作组，搜集相关资料，研究海洋数值预报系统性能评估的价值内涵，提出适用于全球及区域海洋数值预报系统性能的检验与评估，重点从海洋数值预报系统的完整性、稳定性、时效性和准确性方面对海洋数值预报系统性能进行评估。2021年12月—2022年3月，对比分析国内外海洋数值预报系统性能评估相关研究，借鉴与吸纳相关领域的国标和行标理念与方法，基于目前缺乏海洋数值预报系统性能评估标准和缺少中尺度涡、海洋锋、混合层深度、等温线深度等预报保障产品质量检验标准的问题，以提升我国海洋数值预报保障产品的综合验证和服务评价水平。相关工作为标准的起草奠定了良好基础。2.标准起草2022年3月—2022年6月，标准起草组在调研、收集、试验及参考有关标准的基础上，结合管理应用实际需求，编制了《海洋数值预报系统性能评估技术规程》(草案)；选取预处理、预报和后处理三个模块正常运行所需的资料、模型、流程控制程序、预报要素和预报产品齐备性、软硬件环境等进行海洋数值预报系统完整性评估；从预报系统及软硬件支撑等方面进行稳定性检验，逐月统计3预报系统运行故障情况，给出年故障率等进行海洋数值预报系统稳定性评估；从是否满足用户对预报保障产品时效性的需求，并对海洋数值预报系统运行效率进行评估；从要素类和现象类海洋数值预报保障产品的质量方面进行海洋数值预报系统准确性评估(具体过程见编制说明第四章)，总体认为，本标准内容相对合理、科学，能较好地反映全球及区域海洋数值预报系统性能的检验与评估过程；组织内部审查，邀请俞永强、卢晓亭、王颖、刘桂梅、尹宝树、林霄沛和高松等专家对标准进行研究探讨，形成《海洋数值预报系统性能评估技术规程》(征求意见稿)。3.标准征求意见4.标准送审5.标准报批(三)主要起草人及分工魏泽勋，自然资源部第一海洋研究所，研究员，负责标准整体设计、研究和编制；王永刚，自然资源部第一海洋研究所，研究员，负责标准整体指导，参与标准编制和修改完善；徐晓庆，自然资源部第一海洋研究所，工程师，负责标准草稿编制、标准修改和完善；任鹏，中国石油大学(华东)，负责反馈意见的分析，参与标准的修改完善；张志远，中国人民解放军91001部队，负责提供标准编制技术指导；徐腾飞，自然资源部第一海洋研究所，副研究员，负责征求意见、反馈意见的汇总和分析；高秀敏，自然资源部第一海洋研究所，工程师，参与标准草稿编制；赵鹏，自然资源部北海预报减灾中心，负责配合海标委秘书处、海洋标准化管理部门完成标准报批；孙俊川，自然资源部第一海洋研究所，助理研究员，负责相关政策分析、相4关标准或规范资料收集；滕飞，自然资源部第一海洋研究所，工程师，负责相关表格制作与文字排版。内容(一)标准编制原则本标准的制定遵循了以下原则：规范性：本标准符合国家和行业有关方针、政策和法律法规。先进性：本标准制定过程中，认真对比分析国内外海洋数值预报系统性能评估最新技术成果，充分采纳行业内专家意见，尽量体现标准的先进性。科学性和适用性：在坚持标准先进性的同时，充分考虑标准的科学性和适用性。在编制过程中，对有关概念、定义和论证等内容的叙述尽可能清楚确切，并对所拟标准进行验证，确保标准的广泛适用性和可操作性。(二)标准主要内容的确定依据标准化文件的结构和起草规则》确定，标准由范围、规范性引用文件、术语和定义、海洋数值预报系统性能评估和参考文献5个部分组成。2.第3章“术语和定义”，选择了与海洋数值预报系统性能评估相关的术语，为保证定义的科学性及与其他标准的相关性，部分术语参考了GB/T39628-2020《海洋预报术语》、GB/T15918-2010《海洋学综合术语》、GB/T15920-2010《海洋学术语物理海洋学》、HY/T193-2015《海洋观测预报及防灾减灾标准体系》、GB/T14914.2-2019《海洋观测规范第2部分：海滨观测》、GB/T41165-2021《海洋预报结果准确性检验评估方法》、国家海洋局《海洋观测预报管理条例》、自然资办发〔2022〕18号自然资源部《自然资源标准体系》。海洋数值预报系统，海洋数值预报系统是在高性能计算机上通过求解海水运动方程组，对未来海洋现象和状态进行预报，并根据用户需求制作海洋数值预报保障产品的综合性系统。海洋数值预报系统由预处理、预报和后处理三个模块组成。海洋数值预报系统预处理模块由初始场构建、强迫场构建、侧边界条件准备等组成；海洋数值预报系统预报模块根据预报要素的不同可分为海浪预报、三维温盐流预报等；海洋数值预报系统后处理模块主要包括预报数据存储管理、预报产品制作与分发、预报产品检验等。5海洋数值预报系统性能评估，海洋数值预报系统性能主要表征海洋数值预报系统的运行状况和预报能力，主要从海洋数值预报系统的完整性、稳定性、时效性和准确性方面对海洋数值预报系统性能进行评估。3.第4章“海洋数值预报系统性能评估”，从海洋数值预报系统完整性评估、海洋数值预报系统稳定性评估、海洋数值预报系统时效性评估和海洋数值预报系统准确性评估四个方面进行评估。的经(一)海洋数值预报系统完整性评估方法完整性是海洋数值预报系统性能的基本要求，完整性评估主要对预处理、预报和后处理三个模块正常运行所需的资料、模型、流程控制程序、预报要素和预报产品齐备性、软硬件环境等进行评估。海洋数值预报系统的完整性可通过对表1来进行检验。对预报系统的完整性进行排查，逐项检验各模块，并给出检验结果(检验结果分为达标、不达标和不适用三类)。对于海洋数值预报系统的不适用项，应给出不适用的原因；海洋数值预报系统若存在不达标项，应对海洋数值预报系统进行完善后再评估。表1海洋数值预报系统完整性检验表模块检验内容检验结果备注预处理模块初始场同化资料源(有/无)资料同化模块(有/无)初始场构建模块(有/无)强迫场海面风或风应力(有/无)海面热通量(有/无)三维温盐流数值预报系统海面淡水通量(有/无)边界条件二维海浪谱(有/无)海浪预报模式二选一波浪参数(有/无)海面高度(有/无)三维温盐流数值预报系统温度(有/无)盐度(有/无)海流(有/无)径流(有/无)潮边界(有/无)三维温盐流数值6模块检验内容检验结果备注预报系统；含潮预报情况下需要运行控制批处理流程(有/)运行监控配套监控系统(有/无)预报模块预报模式预报模式初始化(有/无)预报模式运行(有/无)预报结果输出(有/无)预报要素和预报时段符合运行控制(有/无)运行监控(有/无)后处理模块预报数据管理(有/无)预报产品制作要素类产品(有/无)现象类产品(有/无)预报产品分发(有/无)预报产品检验准实时检验逐月检验运行控制(有/无)运行监控(有/无)补报功能补报模块(有/无)对出现故障的预报进行补报运行控制(有/无)运行监控(有/无)预报系统运行环境计算条件(有/无)存储条件(有/无)支撑预报系统的软件环境(有/无)(二)海洋数值预报系统稳定性评估方法针对海洋数值预报系统预处理、预报和后处理三个模块，从预报系统及软硬件支撑等方面进行稳定性检验，逐月统计预报系统运行故障情况，给出年故障率。海洋数值预报系统稳定性可利用表2来进行检验，稳定性检验表是根据海洋数值预报系统出现故障的可能来源制定的。根据表2统计结果按表3标准对海洋数值预报系统稳定性进行评估。通过表2可进一步排查影响系统稳定运行的薄弱环节，进一步优化完善预报系统。7表2海洋数值预报系统稳定性检验表故障可能来源每月故障次数年故障次数年故障率010203040506070809预报系统故障预处理模块初始场同化资料源资料同化模块初始场构建模块合计强迫场海面风或风应力海面热通量海面淡水通量合计边界条件二维海浪谱波浪参数海面高度温度盐度海流径流潮边界合计流程控制运行监控预处理模块故障合计预报模块预报模式预报模式初始化预报模式运行8预报结果输出合计流程控制运行监控预报模块故障合计后处理模块预报数据管理预报产品制作要素类产品现象类产品合计预报产品分发预报产品检验流程控制运行监控后处理模故障块合计预报系统故障合计软硬件故障计算设备存储设备软件环境软硬件故障合计故障合计注：年故障率=年故障次数/每年预报系统预报次数9表3海洋数值预报系统稳定性评估标准表故障率评估标准备注预报系统故障率优良1.0%~2.0%合格不合格软硬件故障率优良1.0%~2.0%合格不合格总故障率优1.0%~2.0%良20%~40%合格不合格(三)海洋数值预报系统时效性评估方法海洋数值预报系统时效性评估主要评估是否满足用户对预报保障产品时效性的需求，并对海洋数值预报系统运行效率进行评估。海洋数值预报系统时效性可利用表4来进行检验。主要时效性检验内容包括：预报系统时效性检验和预报系统运行效率检验。其中，预报系统时效性检验包含：预报系统启报至终报占用机时应不超出预报单位高性能计算支撑条件，预报产品制作应满足用户时效性需求；预报系统运行效率检验包含：计算效率和调度效率。表4海洋数值预报系统时效性检验表时效性检验内容检验结果时效性评估预报系统时效性预报系统启报至终报占用机时不超出预报单位高性能计算支撑条件预报系统每日启动次，预报时段为：…预报产品制作满足用户时效性需求预报系统每日启动预报次，完成预报产品制作时间分别为：…预报系统运行效率计算效率预报模块运行期间占用CPU个，并行加速比调度效率预报系统启报至终报期间占用CPU核CPU率(四)海洋数值预报系统准确性评估方法海洋数值预报系统准确性评估主要是检验要素类和现象类海洋数值预报保障产品的质量。预报保障产品是基于海洋数值预报系统预报得到的预报数据，根据用户应用需求制作的定制化产品。根据海洋数值预报保障产品的应用需求和场景，海洋数值预报保障产品可分为要素类产品和现象类产品。要素类预报产品是指直接利用海洋数值预报数据制作的产品，比如利用海浪波高、波向和波周期，海温、盐度和密度，海流流速和流向，海表面高度等制作的平面分布图、断面分布图等。现象类预报产品是指基于海洋数值预报数据对海上航行、渔业捕捞、工程作业、军事应用等领域关注的特定海洋现象进行分析、提取和评估后形成的产品，比如中尺度涡、海洋锋、混合层深度、等温线深度等。1.要素类海洋数值预报保障产品准确性评估海浪预报系统通过统计相对误差和均方根误差进行检验，当观测波高小于1.5m时统计均方根误差，波高大于1.5m时统计相对误差。三维温盐流预报系统海表温度、海表高度、剖面温度、剖面盐度通过统计均方根误差进行检验；海流流速，小于0.5m/s时统计均方根误差，流速大于0.5m/s时统计相对误差；海流流向通过统计均方根误差进行检验，其中，对于潮流影响显著海域不计转流期流向误差。要素类预报产品质量检验详见表5。表5数值预报系统要素类预报产品准确性评估检验表检验要素检验内容逐月检验备注010203040506070809有效波高相对误差波高小于2m时统计均方根误差波高大于2m时统计相对误差均方根误差海表温度均方根误差海表高度均方根误差剖面温度均方根误差剖面盐度均方根误差海流流速相对误差流速小于0.5m/s时统计均方根误差流速大于0.5m/s时统计相对误差均方根误差海流流向均方根误差对于潮流影响显著海域不计转流期流向误差估24h、48h、72h和120h预报误差2.产品类海洋数值预报保障产品准确性评估中尺度涡预报产品检验：利用中尺度涡分析方法分别提取预报海域实测和预报的中尺度涡位置、半径和强度，逐月给出中尺度涡位置和半径预报的平均绝对误差，并统计中尺度涡空报率和漏报率；海洋锋预报产品检验：利用海洋锋分析方法分别提取预报海域实测和预报的海洋锋位置和强度，逐月给出海洋锋面位置和强度预报的平均误差和均方根误差，并统计海洋锋面空报率和漏报率；混合层深度预报产品检验：利用混合层深度分析方法分别提取预报海域实测和预报的混合层深度，逐月给出混合层深度预报的平均绝对误差；等温线深度预报产品检验：利用等温线深度分析方法分别提取预报海域实测和预报的等温线深度，逐月给出等温线深度预报的平均绝对误差。产品类预报保障产品质量检验详见表6。表6数值预报系统产品类预报保障产品准确性评估检验表检验要素检验内容