淺談?dòng)?jì)算機(jī)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用論文
摘要：天氣預(yù)報(bào)和人們的生活越來(lái)越息息相關(guān)，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率是人們共同的期望。計(jì)算機(jī)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，為服務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展提供非常有力的科技支撐。本文就此進(jìn)行了淺述。
關(guān)鍵詞：數(shù)值天氣預(yù)報(bào)；計(jì)算機(jī)；應(yīng)用
要把數(shù)值天氣預(yù)報(bào)需要的數(shù)學(xué)方程組合求解出來(lái)，是十分費(fèi)事的事情。英國(guó)數(shù)學(xué)家里查遜在1916年～1918年組織了大量人力進(jìn)行了第一次數(shù)值預(yù)報(bào)嘗試。這一次預(yù)報(bào)計(jì)算證明了要得到未來(lái)24小時(shí)的預(yù)報(bào)，如果一個(gè)人日夜不停地進(jìn)行計(jì)算，需要算64000天，也就是175年。這次實(shí)驗(yàn)給了人們有益的啟示。
1950年，美國(guó)科學(xué)家第一次利用計(jì)算機(jī)成功地做出了500百帕天氣形勢(shì)的36小時(shí)預(yù)報(bào)。從那以后，一些國(guó)家相繼將數(shù)值預(yù)報(bào)這一先進(jìn)的天氣預(yù)報(bào)方法引入到實(shí)際業(yè)務(wù)中。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)包括氣象資料的傳輸、收集、處理、資料的分析和模式預(yù)報(bào)計(jì)算以及預(yù)報(bào)結(jié)果的顯示、分發(fā)服務(wù)等。從世界上第一次成功地做出數(shù)值天氣預(yù)報(bào)以來(lái)的幾十年來(lái)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，數(shù)值的解法日益精確，對(duì)大氣的描述越加細(xì)致，預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效不斷提高。
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是大氣學(xué)科的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，是高性能計(jì)算機(jī)的重大用戶，已經(jīng)成為現(xiàn)代氣象天氣業(yè)務(wù)的重要基礎(chǔ)。所謂的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，或者稱“計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)天氣”指利用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法，求解一組描寫大氣運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)物理方程組，其計(jì)算量巨大，需要通過(guò)巨型計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算，制作天氣預(yù)報(bào)。
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展依賴于高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展和支撐。高性能計(jì)算機(jī)是如何為氣象服務(wù)提供技術(shù)支持的呢？
隨著科技的發(fā)展，氣象預(yù)報(bào)已經(jīng)從過(guò)去主要依靠經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)值預(yù)報(bào)。而現(xiàn)在的氣象預(yù)報(bào)與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)的主要有三個(gè)步驟：首先是氣象局處理中心通過(guò)衛(wèi)星、光纖網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等通信網(wǎng)絡(luò)獲取大量氣象資料；其次，處理中心通過(guò)高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)獲取的大量資料進(jìn)行分析和處理；最后，處理中心將衛(wèi)星云圖、雷達(dá)資料等大量各種氣象資料存放在由計(jì)算機(jī)組成的存儲(chǔ)中心。
高性能計(jì)算機(jī)的支持大大有助于提高數(shù)值預(yù)報(bào)的分辨率，使氣象預(yù)報(bào)達(dá)到每小時(shí)/每公里的預(yù)報(bào)精度。如為2008年北京奧運(yùn)會(huì)氣象服務(wù)提供運(yùn)算支持的曙光64位氣象專用機(jī)由128顆CPU、32個(gè)R4280節(jié)點(diǎn)組成，具有可自由伸縮、高度可管理、高可用、高性能價(jià)格比等諸多優(yōu)點(diǎn)。曙光采用了在中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的NCAR MM5模式。由于MM5中尺度數(shù)值模式可考慮高分辨的地形和陸面使用狀況等重要的局地迫動(dòng)因子，并可使用復(fù)雜的物理參數(shù)化方案，來(lái)研究和預(yù)測(cè)高分辨的局地中尺度天氣現(xiàn)象，其相對(duì)于大模式的靈活性、細(xì)致性，使其應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大到各種中尺度天氣系統(tǒng)的研究，從而大大提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。
近日，曙光公司總裁歷軍透露，繼千萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)曙光“星云”之后，曙光公司的“十億億次”超級(jí)計(jì)算機(jī)即將開(kāi)始研發(fā)。十億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)工作1天，相當(dāng)于普通電腦工作1萬(wàn)多年。這樣超高的精度，應(yīng)用于預(yù)報(bào)天氣能夠精確到分秒。在目前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力內(nèi)，可能方圓十公里的區(qū)域所預(yù)報(bào)的天氣狀況都是相同的。但是超級(jí)計(jì)算機(jī)展現(xiàn)出更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以更精細(xì)地顯示出該區(qū)域內(nèi)每個(gè)角落的天氣狀況，在預(yù)報(bào)時(shí)間上，也可以由小時(shí)精確至分秒。
隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到氣候預(yù)報(bào)中，如大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。
氣候變化會(huì)對(duì)商品市場(chǎng)和行業(yè)造成影響。由于極端天氣會(huì)造成各類商品價(jià)格的大幅波動(dòng)，銀行和商家的利潤(rùn)和損失往往十分驚人；嚴(yán)寒天氣和干旱也給電力供應(yīng)商帶來(lái)了更大壓力。另一方面，越來(lái)越多的零售商和生產(chǎn)商開(kāi)始利用天氣預(yù)報(bào)管理庫(kù)存。
建立在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的氣象演算法為一些曾在華爾街工作的應(yīng)用數(shù)學(xué)家提供了發(fā)掘歷史數(shù)據(jù)的可能性，并應(yīng)用到日常商戰(zhàn)中。如數(shù)據(jù)氣象公司充分利用所設(shè)計(jì)軟件的自適應(yīng)性成功預(yù)報(bào)了2013年末的嚴(yán)寒。包括摩根斯坦利和高盛在內(nèi)的大型交易所、對(duì)沖基金和能源生產(chǎn)商在天然氣期貨價(jià)格上漲50%達(dá)到五年內(nèi)最高點(diǎn)時(shí)，都有數(shù)百萬(wàn)美元盈利或損失。在紐約的某個(gè)交易點(diǎn)，天然氣現(xiàn)貨價(jià)格翻了20倍。美國(guó)康菲國(guó)際石油有限公司首席財(cái)務(wù)官杰夫·史特斯這樣形容冬天的天然氣交易“天氣成就了這個(gè)特別的季度�！绷硪患抑饕鎸�(duì)保險(xiǎn)公司和大型零售商的氣候預(yù)測(cè)公司使用歷史數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)成功預(yù)測(cè)了颶風(fēng)季的減弱。這些都證明了基于計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)對(duì)氣候觀測(cè)的影響之大。計(jì)算機(jī)在氣候觀測(cè)中的應(yīng)用，大大有利于氣候預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高。
如2010年，江西某暴雨研究所建成高性能計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。該系統(tǒng)由27臺(tái)SMP系統(tǒng)服務(wù)器、2臺(tái)曙光高性能管理登錄節(jié)點(diǎn)、4臺(tái)曙光高性能服務(wù)器和1臺(tái)曙光控制器構(gòu)成，擁有高達(dá)12.14萬(wàn)億次的峰值浮點(diǎn)運(yùn)算能力。高性能計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)的建成，對(duì)大量地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算處理能力的提升，將數(shù)值預(yù)報(bào)分辨率由原來(lái)的35公里提高到5～10公里，大大提高預(yù)報(bào)的時(shí)效性和精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)水平，為實(shí)現(xiàn)數(shù)值預(yù)報(bào)由分縣預(yù)報(bào)到分鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
還有，南方某市用超級(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)展灰霾精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警工作�；姻膊粌H僅跟大氣有關(guān)，還和大氣化學(xué)、污染源等因素有關(guān)。利用超算中心和中國(guó)氣象局投入的一個(gè)高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)行來(lái)構(gòu)建模式系統(tǒng)，更加精細(xì)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，兩個(gè)模式的數(shù)據(jù)互為備份，相互共享，最終來(lái)提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。
為了及時(shí)發(fā)布灰霾具體指數(shù)，氣象局把有關(guān)天氣的官方微博、微信、網(wǎng)站進(jìn)一步升級(jí)改造，讓它更新更快更方便。在當(dāng)?shù)卣旧蠚庀蟛块T還提供了一個(gè)“數(shù)字氣象”欄目，市民點(diǎn)擊當(dāng)?shù)氐貓D上的任意點(diǎn)，便可以獲知未來(lái)三天的天前預(yù)報(bào)。
“神威”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)落戶無(wú)錫市氣象局，氣象預(yù)報(bào)將精確到小時(shí)。由國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心與國(guó)家氣象中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)，基于神威高性能集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)在無(wú)錫市氣象業(yè)務(wù)中心的運(yùn)行將使無(wú)錫市天氣預(yù)報(bào)精細(xì)化能力進(jìn)一步提高，天氣預(yù)報(bào)中類似“局部地區(qū)有雷陣雨”可以精確到“某某地區(qū)有雷陣雨”，“今天白天有小雨”可以精確到“今天11點(diǎn)鐘前有小雨”。
總之，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)和天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的主流方向，改進(jìn)和提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度是提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)在氣候預(yù)報(bào)中的應(yīng)用正在并且將大大助力數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展，提高氣候預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。
參考文獻(xiàn)：
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