淺談計算機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越息息相關，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，為服務數值天氣預報的發展提供非常有力的科技支撐。本文就此進行了淺述。
關鍵詞：數值天氣預報；計算機；應用
要把數值天氣預報需要的數學方程組合求解出來，是十分費事的事情。英國數學家里查遜在1916年～1918年組織了大量人力進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24小時的預報，如果一個人日夜不停地進行計算，需要算64000天，也就是175年。這次實驗給了人們有益的啟示。
1950年，美國科學家第一次利用計算機成功地做出了500百帕天氣形勢的36小時預報。從那以后，一些國家相繼將數值預報這一先進的天氣預報方法引入到實際業務中。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、分發服務等。從世界上第一次成功地做出數值天氣預報以來的幾十年來，數值天氣預報方法取得了長足的發展，數值的解法日益精確，對大氣的描述越加細致，預報的精度和時效不斷提高。
數值天氣預報是大氣學科的一個重要研究領域，是高性能計算機的重大用戶，已經成為現代氣象天氣業務的重要基礎。所謂的數值天氣預報，或者稱“計算機預報天氣”指利用數學計算的方法，求解一組描寫大氣運動變化規律的數學物理方程組，其計算量巨大，需要通過巨型計算機自動計算，制作天氣預報。
數值天氣預報的發展依賴于高性能計算機的發展和支撐。高性能計算機是如何為氣象服務提供技術支持的呢？
隨著科技的發展，氣象預報已經從過去主要依靠經驗預報發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的主要有三個步驟：首先是氣象局處理中心通過衛星、光纖網絡、無線網絡等通信網絡獲取大量氣象資料；其次，處理中心通過高性能的計算機設備對獲取的大量資料進行分析和處理；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/每公里的預報精度。如為2008年北京奧運會氣象服務提供運算支持的曙光64位氣象專用機由128顆CPU、32個R4280節點組成，具有可自由伸縮、高度可管理、高可用、高性能價格比等諸多優點。曙光采用了在中尺度數值天氣預報領域處于領先地位的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因子，并可使用復雜的物理參數化方案，來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”超級計算機即將開始研發。十億億次超級計算機工作1天，相當于普通電腦工作1萬多年。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角落的天氣狀況，在預報時間上，也可以由小時精確至分秒。
隨著計算機的發展，越來越多的計算機技術被應用到氣候預報中，如大數據的應用。
氣候變化會對商品市場和行業造成影響。由于極端天氣會造成各類商品價格的大幅波動，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了更大壓力。另一方面，越來越多的零售商和生產商開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家提供了發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商在天然氣期貨價格上漲50%達到五年內最高點時，都有數百萬美元盈利或損失。在紐約的某個交易點，天然氣現貨價格翻了20倍。美國康菲國際石油有限公司首席財務官杰夫·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季的減弱。這些都證明了基于計算機技術基礎的大數據對氣候觀測的影響之大。計算機在氣候觀測中的應用，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系統服務器、2臺曙光高性能管理登錄節點、4臺曙光高性能服務器和1臺曙光控制器構成，擁有高達12.14萬億次的峰值浮點運算能力。高性能計算機集群系統的建成，對大量地面觀測數據進行分析運算處理能力的提升，將數值預報分辨率由原來的35公里提高到5～10公里，大大提高預報的時效性和精細化天氣預報水平，為實現數值預報由分縣預報到分鄉鎮預報打下堅實基礎。
還有，南方某市用超級計算機開展灰霾精細化預報預警工作。灰霾不僅僅跟大氣有關，還和大氣化學、污染源等因素有關。利用超算中心和中國氣象局投入的一個高性能計算機運行來構建模式系統，更加精細的數值預報模式，兩個模式的數據互為備份，相互共享，最終來提高預報準確率。
為了及時發布灰霾具體指數，氣象局把有關天氣的官方微博、微信、網站進一步升級改造，讓它更新更快更方便。在當地站上氣象部門還提供了一個“數字氣象”欄目，市民點擊當地地圖上的任意點，便可以獲知未來三天的天前預報。
“神威”計算機系統落戶無錫市氣象局，氣象預報將精確到小時。由國家并行計算機工程技術研究中心與國家氣象中心聯合開發，基于神威高性能集群計算機系統的中尺度數值預報業務系統在無錫市氣象業務中心的運行將使無錫市天氣預報精細化能力進一步提高，天氣預報中類似“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點鐘前有小雨”。
總之，數值天氣預報已成為現代天氣預報業務的基礎和天氣預報業務發展的主流方向，改進和提高數值天氣預報精度是提高天氣預報準確率的關鍵。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展，提高氣候預報的準確率。
參考文獻：
[1]周鵬、常蘭、李鵬、徐強君、張成偉.WRF模式在南京數值天氣預報中的應用.氣象科學.2011.05期
[2]李鵬.一次梅雨鋒暴雨過程中陸面影響的數值模擬研究.安徽農業科學.2012.01期
[3]陳朝暉、程水源、蘇福慶、高慶先.一次區域性大氣重污染過程的診斷分析及數值模擬.北京工業大學學報.2010.02期
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