前不久，英國(guó)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。”中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心高級(jí)工程師管成功說(shuō)。
具體來(lái)講，首先，大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)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。空基觀測(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(mén)將根據(jù)大氣當(dāng)前狀態(tài)與周邊環(huán)境，求取未來(lái)等間隔時(shí)間點(diǎn)的天氣要素值，從而獲得未來(lái)天氣狀態(tài)。”管成功說(shuō)。
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(lái)，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(guò)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(guó)自主研發(fā)的GRAPES數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式來(lái)講，目前中國(guó)大地上均勻分布有近400萬(wàn)個(gè)格點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。沒(méi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)，這些工作根本無(wú)法在有限的時(shí)間內(nèi)順利完成。”中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心副主任沈?qū)W順補(bǔ)充說(shuō)。
我國(guó)氣象事業(yè)從手工畫(huà)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(wàn)計(jì)乃至數(shù)十萬(wàn)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(guó)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(kāi)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(kāi)高性能計(jì)算機(jī)的一路相隨。目前我國(guó)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(guó)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(lái)，我國(guó)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(guò)美國(guó)和日本，達(dá)國(guó)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(lái)可期
準(zhǔn)備旅游，未出門(mén)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(lái)天氣預(yù)報(bào)只會(huì)更懂你。”沈?qū)W順說(shuō)，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(lái)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。”
這意味著，未來(lái)無(wú)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。“屆時(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。”對(duì)此，沈?qū)W順充滿信心。(本報(bào)記者 付麗麗)
關(guān)鍵詞： 超級(jí)計(jì)算機(jī) 天氣預(yù)報(bào)
