ECMWF - 成立草案

(2021/06/21發表於個人臉書)

歐洲中期天氣預報中心 (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) 是歐洲跨政府的氣象研究機構，是歐洲六個跨政府機構的其中一員，其他五個是北約組織 (North Atlantic Treaty Organisation, NATO)，歐洲太空總署 (the European Space Agency, ESA)，the Council of Europe (CoE), the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD), and the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT)。

ECMWF在1975年成立，當時有13個會員國 (Member State)，現在有23個會員國和11個合作國 (Co-operating State)，總共34個國家。ECMWF的資金來源主要由這些會員國和合作國提供，根據2014年的報告，這些國家提供了77%的資金來源 (42M歐元/54.5M歐元)，絕大多數從會員國來 (41M, 97%)。各國的提供金額基本上根據國民總所得依比例分配，根據2014年的報告，會員國最大宗的是德國 (總金額的19%)，最少的是冰島 (總金額的0.08%)，而合作國最大的是捷克 (總金額的0.5%)，最少的是蒙特內哥羅 (總金額的0.01%)。

ECMWF的主要任務是：

提供數值天氣預報和監測地球系統 (produce numerical weather forecasts and monitor the Earth system);
進行科學研究來改進預報 (carry out scientific and technical research to improve forecast skill);
收集和儲存氣象數據 (maintain an archive of meteorological data)

ECMWF的天氣預報準確度可說是目前世界第一，可歸因於它厲害的數值氣象模式和資料同化技術。ECMWF提供的再分析資料 (reanalysis data) 也促成許多氣象學上的科學進展。ECMWF的成功，不是偶然，而是許多有利的客觀條件，許多遠見，和無數人的努力成果。這篇文章筆記一下ECMWF的建立草案，還有我從其他地方看到的東西。主要參考資料是Woods 2006: Medium-Range Weather Prediction: The European Approach, https://www.springer.com/gp/book/9780387269283, Chapter 4：The Project Study。這一章節在講1971年，Dr. Heinz Reiser領導的小組報告： “Project Study on European Centre for medium-range weather forecasts”。這個報告建議成立一個跨政府，專責4-10天中期天氣預報的新單位，以及其對社會，經濟，科學上的貢獻，還提出這個新單位的組織架構規劃，員工人數和分工，電腦資源估算，總部選址建議等。這份報告於1971年八月提交，同年11月歐洲決定成立這個跨政府的中期天氣預報中心，決定官方名稱：European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)，並於1975年成立。這份1971年的報告可說是ECMWF的建立草案，當今ECMWF很多部分還是跟當時報告內容相差無幾，非常驚人。可惜的是，我在網路上找不到這份報告的全文，無緣拜讀。

先簡單講一下1971年這個小組報告的氣象發展背景。在1950,60年代，數值氣象模式開始發展，不少國家開始用數值模式做一到兩天的天氣預報，此外，模式也開始用來研究大氣環流的長期特徵。與此同時，世界氣象組織WMO在1963年建立了全球氣象觀測和資料交換系統 World Weather Watch (WWW)，讓各個國家能共享重要的氣象資料。1967年WMO和 International Council of Scientific Unions (ICSU) 開啟為期15年的國際合作計劃 Global Atmospheric Research Program (GARP)，GARP重點項目之一是了解大氣過程，進而改進模式。所以，在1960年代，數值氣象模式和全球氣象觀測兩方面快速進展，歐洲這邊在思考怎麼善用這兩個方面，提供國家和不同使用者最有用的天氣預報。

為了收集使用者的意見，Dr. Heinz Reiser領導的小組在15個國家進行了156個訪談，訪談對象涵蓋不同產業，如農業，建造業，運輸業，能源業，食物業，水資源業等。訪談結果顯示這些產業對4-10天的中期天氣預報 (medium-range forecasts)很感興趣，如果有可靠的中期天氣預報，可能會為這些產業每年帶來 200M Units of Accoundt (UA) 的經濟價值。在1972年，1 UA = 0.44歐元。小組預估成立一個專門做中期天氣預報的研究中心一年花費約7.5M UA，所以成本效益比約1:25，顯示成立這個中心很有搞頭。

要做歐洲4-10天的中期天氣預報並不是件容易的事，即使當時各國已經用數值模式做一到兩天的天氣預報，要延長到4-10天會面臨額外的挑戰，比方說溫帶氣旋的形成，發展和消散，熱帶及南半球的影響，還有大氣海洋交互作用等。此外，歐洲國家不只關心本地的天氣，他們也想知道其他地方的天氣預報，比如說他們的商船想繞過非洲，他們會很關心航線上的天氣預報如何，如果天氣不好的話可能需要更改航行日期。所以，這個中期天氣預報研究中心不只提供歐洲的天氣預報，也要有能力預報全球各地的天氣。

這個中期天氣預報研究中心就是後來成立的ECMWF。ECMWF的主要任務是提供會員國全球4-10天可靠的中期天氣預報，這在當時的科學技術上和實務上都是不小的挑戰。當時的科學技術還不是很清楚怎麼做4-10天的中期天氣預報，也不是很確定能不能成功。實務上的話，如何產出例行的天氣預報，並且把資料傳給會員國的氣象單位，也是個不小的挑戰。

為了面對這些挑戰，Dr. Heinz Reiser領導的小組建議ECMWF下設立兩個獨立部門：”research group” (研究組) 和 “operation group” (作業組)。研究組的主要工作是發展和改善中期天氣預報用的數值模式，而其他工作由作業組通包，像是產出例行的天氣預報，驗證預報結果，資料傳輸和維護，管理電腦系統等。研究組和作業組分開的好處之一是保護研究人員不會被要求越來越高的例行天氣預報壓垮。研究組和作業組有很密切的互動，比方說說研究組有一些具體成果時，就把技術轉移到作業組，讓他們拿來產出天氣預報，提供給各國的氣象單位。作業組產出天氣預報的同時，也會驗證預報和實際天氣的誤差，提供給研究組讓他們發展和改進模式。

總結來說，ECMWF同時是個研究單位，也是個作業單位，兩者的目標一致：提供和改進全球4-10天的中期天氣預報。因為ECMWF兼具研究和作業性質，ECMWF的研究成果能直接應用在實務上來改進天氣預報，所以ECMWF不是另一個學術象牙塔，鑽研學術但比較不考慮實務上的應用，ECMWF也不是另一個氣象作業單位，重複其他氣象單位已經在做的工作。

因為ECMWF兼具研究和作業性質，最好跟現有的研究單位和作業單位有很強的連結，讓各方有交流合作的機會，所以ECMWF的總部最好鄰近當地的研究單位和作業單位。因為ECMWF需要大量的資料傳輸和交換，所以理想上離歐洲的WMO Glocal Telecommunication System資料交換中心近一點比較好，即倫敦-法蘭克福-巴黎的三角形區域。ECMWF成立後，在選擇總部位址時有好幾個選項，最後ECMWF選擇落腳英國的Reading，部分原因是鄰近英國氣象局Met Office和University of Reading，有很多交流合作機會。

Dr. Heinz Reiser小組認為ECMWF越快產出例行的天氣預報越好，所以他們認為ECMWF不應該從頭開始發展自己的模式，工程太浩大，而是應該借用當時已經在市面上的模式，以此為基本之後再改進。所以ECMWF一開始去GFDL和UCLA取經，把他們的模式搬回來，先能跑，然後再來改進。ECMWF於1975年成立，四年後的1979年就開始穩定提供天氣預報，速度相當驚人。ECMWF對模式發展貢獻巨大，像spectral model，semi-implicit time integration等，有機會的話可以寫一篇專文介紹ECMWF的模式發展故事。

除了以上所述這些，Dr. Heinz Reiser的小組報告還包含了ECMWF理想上員工人數和分工，電腦資源估算等。這份報告於1971年八月提交，同年11月歐洲決定成立這個跨政府的中期天氣預報中心，並決定官方名稱：European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)。

ECMWF能成功創立，並很快展現研究上和實務上的進展，我想主要原因有三個：一是氣象學家從20世紀初期就常常跨國合作，因為大氣是連續的，想要研究大氣，想要了解一個地方的天氣，一定需要知道其他地方的天氣觀測和知識，需要跟不同國家的氣象學家合作。因此，成立一個跨國跨政府的科學機構ECMWF，基本上對氣象學家來說理所當然。Rossby在1951年就提到 “the organisation of an International Computing Centre appears to have been accepted in principle”，1975年成立的ECMWF可說是實現了Rossby的想法。1975-1976 the interim President of the Council of the European Communities, Dr. Sussenberger也提到 ”thanks for the excellent co-operation between meteorologists, who have for 150 years been used to working together internationally and to solving their problems together”。

二是ECMWF是個全新的單位，組織結構和工作文化全部從頭開始建立，這讓它打從一開始就納入研究和作業部門，還有兩者之間的交流合作規劃。如果ECMWF是設在已經存在的單位底下，就很難避免被現存組織的目標和歷史緣由影響。比方說假如ECMWF設立在以作業為主的氣象局底下，ECMWF的作業單位可能就會比研究單位強勢，畢竟上層機關的氣象局是作業單位。

此外，由於ECMWF是全新組織，一切從頭開始規劃建造，第一任Director Prof Dr Aksel Wiin-Nielsen (於1974-1979擔任主任) 功不可沒。我在看資料的時候才知道Prof Dr Aksel Wiin-Nielsen去ECMWF之前，他1963年在密西根大學成立the Department of Meteorology and Oceanography，並擔任首任系主任到1971年。Department of Meteorology and Oceanography是我博士班就讀的Department of Climate and Space Sciences and Engineering (CLaSP) 的前身，看ECMWF故事時無意間連到CLaSP的歷史，讓我很驚喜。Woods (2006) 的第一章就是在介紹Prof Dr Aksel Wiin-Nielsen，是個精采的科學家和精彩的故事，有機會的話可以寫個筆記文。

三是ECMWF的目標很明確，他們的目標就是要做4-10天的中期天氣預報，所以他們把全部心力投在上面，也根據這個目標做決策。比方說他們在成立初期決定借用當時現有的模式，而不是從頭開始開發，是因為他們一半定位是作業單位，從頭發展模式工程浩大，也跟它們的中期天氣預報目標不是完全相關。所以他們先以現有模式為根基，然後再研究改進，符合研究和作業的目標。假如一個新單位，目標不明確，想做天氣預報，又想做中期預報，又想做長期預報，又想發展模式，基本上很難每個都做好，貪多嚼不爛。

一不小心就打了長長一篇，最後做個總結。

1971年Dr. Heinz Reiser領導的小組報告： “Project Study on European Centre for medium-range weather forecasts”，闡述了4-10天中期天氣預報對產業的經濟效益，以及其在科學及實務上的挑戰和重要性。他們建議成立一個跨政府，專責中期天氣預報的研究與作業中心，還提出了組織架構，電腦資源估算，總部選址建議等。這份報告也直接促成1975年ECMWF的成立。ECMWF的成立，基本上是天時 (當時數值氣象模式和觀測正開始發展)，地利 (歐洲國家跨國合作的需求和相關經驗)，還有人和 (一個全新組織以及對跨國合作一點都不陌生的氣象學家們)。ECMWF的成立，還有其對氣象模式，氣象預報，還有大氣其他領域的巨大貢獻，我想可稱之為奇蹟。

(ECMWF logo)