超級(jí)計(jì)算機(jī)助攻天氣預(yù)報(bào)

前不久，英國政府宣布撥款12億英鎊（約合102億人民幣），用于研發(fā)新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)，以便在2022年獲得全球性能最強(qiáng)的天氣預(yù)報(bào)超算。

提到超算，人們自然而然會(huì)聯(lián)想到它被用于航天、勘探、生命科學(xué)等“高大上”的領(lǐng)域。然而，鮮為人知的是，看似與超算風(fēng)馬牛不相及的天氣預(yù)報(bào)，也是超算應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。

在資料收集和數(shù)值預(yù)報(bào)中超算是強(qiáng)助攻

“在觀測(cè)資料的收集和分析，以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)這兩個(gè)天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，超算扮演著至關(guān)重要的角色?！敝袊鴼庀缶?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心高級(jí)工程師管成功說。

具體來講，首先，大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于地基、空基觀測(cè)。地基觀測(cè)主要包括常規(guī)氣象觀測(cè)臺(tái)站進(jìn)行的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)等的觀測(cè)，以及運(yùn)用雷達(dá)獲得雷達(dá)回波信息?？栈^測(cè)則主要是利用極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星獲取衛(wèi)星輻射率信息。將紛繁復(fù)雜的觀測(cè)資料梳理得井然有序，再與常規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，調(diào)整為最接近真實(shí)情況的大氣狀態(tài)，這都需要超級(jí)計(jì)算機(jī)提供大力支持。

“其次，在獲得地球大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)后，氣象部門將根據(jù)大氣當(dāng)前狀態(tài)與周邊環(huán)境，求取未來等間隔時(shí)間點(diǎn)的天氣要素值，從而獲得未來天氣狀態(tài)?！惫艹晒φf。

以人們比較關(guān)注的臺(tái)風(fēng)為例，通俗地講，就是把大氣和臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)，用一組大氣運(yùn)動(dòng)方程組描述出來，氣壓、風(fēng)、溫度、濕度等數(shù)據(jù)是方程組的已知條件，天氣系統(tǒng)的變化（包括臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)度的變化等）是方程的未知數(shù)，計(jì)算這個(gè)龐大的方程組單靠人力很難完成。

在這個(gè)過程中，需要對(duì)地球表面的大氣進(jìn)行立體網(wǎng)格化處理。網(wǎng)格越細(xì)，預(yù)報(bào)的精度越好。

“就我國自主研發(fā)的GRAPES數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式來講，目前中國大地上均勻分布有近400萬個(gè)格點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。沒有超級(jí)計(jì)算機(jī)，這些工作根本無法在有限的時(shí)間內(nèi)順利完成?！敝袊鴼庀缶?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心副主任沈?qū)W順補(bǔ)充說。

我國氣象事業(yè)從手工畫圖到智能化預(yù)報(bào)

氣象事業(yè)發(fā)展之初，制作天氣預(yù)報(bào)以天氣圖為主要工具，需要填圖員把數(shù)以萬計(jì)乃至數(shù)十萬計(jì)的數(shù)據(jù)、符號(hào)一個(gè)個(gè)填在天氣圖上，再由預(yù)報(bào)員進(jìn)行手工分析。這種預(yù)報(bào)結(jié)論有很強(qiáng)的主觀性，預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度和時(shí)效受到了極大限制。

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的出現(xiàn)，很快成為預(yù)報(bào)員們做出更為客觀準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)的重要參考。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我國的現(xiàn)代化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)于上世紀(jì)80年代正式開展。

“從最初的水平分辨率300公里到現(xiàn)在水平分辨率3公里的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，離不開高性能計(jì)算機(jī)的一路相隨。目前我國自主研發(fā)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)——GRAPES系列預(yù)報(bào)系統(tǒng)已在“派-曙光”上日夜兼程地運(yùn)轉(zhuǎn)。使我國天氣預(yù)報(bào)水平贏得了更多的贊譽(yù)。”談及這些，管成功頗為自豪。

還是以臺(tái)風(fēng)為例，正是有了超級(jí)計(jì)算機(jī)、風(fēng)云衛(wèi)星等高科技手段的支撐，近年來，我國臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)24小時(shí)誤差穩(wěn)定在70公里左右，各時(shí)效預(yù)報(bào)全面超過美國和日本，達(dá)國際領(lǐng)先水平。同樣，降水、雷電、霧-霾、沙塵等預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率也整體得到提升。

“一公里內(nèi)”精準(zhǔn)預(yù)報(bào)未來可期

準(zhǔn)備旅游，未出門就收到目的地的天氣預(yù)報(bào)；要滑雪，可隨時(shí)了解風(fēng)向、積雪深度等各種天氣指數(shù)；騎上共享單車，從APP里就能輕松獲知沿途天氣情況……相信很多人都對(duì)這種精準(zhǔn)的氣象服務(wù)充滿期待。

“這種期待都會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，未來天氣預(yù)報(bào)只會(huì)更懂你。”沈?qū)W順說，隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和高性能計(jì)算的協(xié)同發(fā)展，區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)值預(yù)報(bào)精度將會(huì)進(jìn)一步提高，“未來全球預(yù)報(bào)的模式分辨率將達(dá)到3—5公里、區(qū)域或局地預(yù)報(bào)的模式分辨率將達(dá)到100—1000米?！?/p>

這意味著，未來無論你身在城市的哪個(gè)角落，你所獲取的天氣預(yù)報(bào)都會(huì)是你周圍一公里甚至是更小范圍內(nèi)的天氣情況?！皩脮r(shí)，天氣預(yù)報(bào)將會(huì)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命安全提供更強(qiáng)有力的保障?！睂?duì)此，沈?qū)W順充滿信心。