淺談?dòng)嬎銠C在數值天氣預報中的應用論文
摘要：天氣預報和人們的生活越來(lái)越息息相關(guān)，提高天氣預報的準確率是人們共同的期望。計算機在數值天氣預報中的應用，為服務(wù)數值天氣預報的發(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：數值天氣預報；計算機；應用
要把數值天氣預報需要的數學(xué)方程組合求解出來(lái)，是十分費事的事情。英國數學(xué)家里查遜在1916年～1918年組織了大量人力進(jìn)行了第一次數值預報嘗試。這一次預報計算證明了要得到未來(lái)24小時(shí)的預報，如果一個(gè)人日夜不停地進(jìn)行計算，需要算64000天，也就是175年。這次實(shí)驗給了人們有益的啟示。
1950年，美國科學(xué)家第一次利用計算機成功地做出了500百帕天氣形勢的36小時(shí)預報。從那以后，一些國家相繼將數值預報這一先進(jìn)的天氣預報方法引入到實(shí)際業(yè)務(wù)中。數值天氣預報包括氣象資料的傳輸、收集、處理、資料的分析和模式預報計算以及預報結果的顯示、分發(fā)服務(wù)等。從世界上第一次成功地做出數值天氣預報以來(lái)的幾十年來(lái)，數值天氣預報方法取得了長(cháng)足的發(fā)展，數值的解法日益精確，對大氣的描述越加細致，預報的精度和時(shí)效不斷提高。
數值天氣預報是大氣學(xué)科的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，是高性能計算機的重大用戶(hù)，已經(jīng)成為現代氣象天氣業(yè)務(wù)的重要基礎。所謂的數值天氣預報，或者稱(chēng)“計算機預報天氣”指利用數學(xué)計算的方法，求解一組描寫(xiě)大氣運動(dòng)變化規律的數學(xué)物理方程組，其計算量巨大，需要通過(guò)巨型計算機自動(dòng)計算，制作天氣預報。
數值天氣預報的發(fā)展依賴(lài)于高性能計算機的發(fā)展和支撐。高性能計算機是如何為氣象服務(wù)提供技術(shù)支持的呢？
隨著(zhù)科技的發(fā)展，氣象預報已經(jīng)從過(guò)去主要依靠經(jīng)驗預報發(fā)展到現在的數值預報。而現在的氣象預報與計算機密切相關(guān)的主要有三個(gè)步驟：首先是氣象局處理中心通過(guò)衛星、光纖網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)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)高性能的計算機設備對獲取的大量資料進(jìn)行分析和處理；最后，處理中心將衛星云圖、雷達資料等大量各種氣象資料存放在由計算機組成的存儲中心。
高性能計算機的支持大大有助于提高數值預報的分辨率，使氣象預報達到每小時(shí)/每公里的預報精度。如為2008年北京奧運會(huì )氣象服務(wù)提供運算支持的曙光64位氣象專(zhuān)用機由128顆CPU、32個(gè)R4280節點(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值天氣預報領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的NCAR MM5模式。由于MM5中尺度數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，并可使用復雜的物理參數化方案，來(lái)研究和預測高分辨的局地中尺度天氣現象，其相對于大模式的靈活性、細致性，使其應用范圍迅速擴大到各種中尺度天氣系統的研究，從而大大提高天氣預報的準確性。
近日，曙光公司總裁歷軍透露，繼千萬(wàn)億次的超級計算機曙光“星云”之后，曙光公司的“十億億次”超級計算機即將開(kāi)始研發(fā)。十億億次超級計算機工作1天，相當于普通電腦工作1萬(wàn)多年。這樣超高的精度，應用于預報天氣能夠精確到分秒。在目前計算機的計算能力內，可能方圓十公里的區域所預報的天氣狀況都是相同的。但是超級計算機展現出更強大的數據處理能力，可以更精細地顯示出該區域內每個(gè)角落的天氣狀況，在預報時(shí)間上，也可以由小時(shí)精確至分秒。
隨著(zhù)計算機的發(fā)展，越來(lái)越多的計算機技術(shù)被應用到氣候預報中，如大數據的應用。
氣候變化會(huì )對商品市場(chǎng)和行業(yè)造成影響。由于極端天氣會(huì )造成各類(lèi)商品價(jià)格的大幅波動(dòng)，銀行和商家的利潤和損失往往十分驚人；嚴寒天氣和干旱也給電力供應商帶來(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)始利用天氣預報管理庫存。
建立在大數據基礎上的氣象演算法為一些曾在華爾街工作的應用數學(xué)家提供了發(fā)掘歷史數據的可能性，并應用到日常商戰中。如數據氣象公司充分利用所設計軟件的自適應性成功預報了2013年末的嚴寒。包括摩根斯坦利和高盛在內的大型交易所、對沖基金和能源生產(chǎn)商在天然氣期貨價(jià)格上漲50%達到五年內最高點(diǎn)時(shí)，都有數百萬(wàn)美元盈利或損失。在紐約的某個(gè)交易點(diǎn)，天然氣現貨價(jià)格翻了20倍。美國康菲國際石油有限公司首席財務(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ΡｋU公司和大型零售商的氣候預測公司使用歷史數據預報成功預測了颶風(fēng)季的減弱。這些都證明了基于計算機技術(shù)基礎的大數據對氣候觀(guān)測的影響之大。計算機在氣候觀(guān)測中的應用，大大有利于氣候預報預報準確率的提高。
如2010年，江西某暴雨研究所建成高性能計算機集群系統。該系統由27臺SMP系統服務(wù)器、2臺曙光高性能管理登錄節點(diǎn)、4臺曙光高性能服務(wù)器和1臺曙光控制器構成，擁有高達12.14萬(wàn)億次的峰值浮點(diǎn)運算能力。高性能計算機集群系統的建成，對大量地面觀(guān)測數據進(jìn)行分析運算處理能力的提升，將數值預報分辨率由原來(lái)的35公里提高到5～10公里，大大提高預報的時(shí)效性和精細化天氣預報水平，為實(shí)現數值預報由分縣預報到分鄉鎮預報打下堅實(shí)基礎。
還有，南方某市用超級計算機開(kāi)展灰霾精細化預報預警工作�；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氣象局投入的一個(gè)高性能計算機運行來(lái)構建模式系統，更加精細的數值預報模式，兩個(gè)模式的數據互為備份，相互共享，最終來(lái)提高預報準確率。
為了及時(shí)發(fā)布灰霾具體指數，氣象局把有關(guān)天氣的官方微博、微信、網(wǎng)站進(jìn)一步升級改造，讓它更新更快更方便。在當地站上氣象部門(mén)還提供了一個(gè)“數字氣象”欄目，市民點(diǎn)擊當地地圖上的任意點(diǎn)，便可以獲知未來(lái)三天的天前預報。
“神威”計算機系統落戶(hù)無(wú)錫市氣象局，氣象預報將精確到小時(shí)。由國家并行計算機工程技術(shù)研究中心與國家氣象中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)，基于神威高性能集群計算機系統的中尺度數值預報業(yè)務(wù)系統在無(wú)錫市氣象業(yè)務(wù)中心的運行將使無(wú)錫市天氣預報精細化能力進(jìn)一步提高，天氣預報中類(lèi)似“局部地區有雷陣雨”可以精確到“某某地區有雷陣雨”，“今天白天有小雨”可以精確到“今天11點(diǎn)鐘前有小雨”。
總之，數值天氣預報已成為現代天氣預報業(yè)務(wù)的基礎和天氣預報業(yè)務(wù)發(fā)展的主流方向，改進(jìn)和提高數值天氣預報精度是提高天氣預報準確率的關(guān)鍵。計算機在氣候預報中的應用正在并且將大大助力數值天氣預報的發(fā)展，提高氣候預報的準確率。
參考文獻：
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