浅谈计算机在数值天气预报中的应用论文
摘要：天气预报和人们的生活越来越息息相关，提高天气预报的准确率是人们共同的期望。计算机在数值天气预报中的应用，为服务数值天气预报的发展提供非常有力的科技支撑。本文就此进行了浅述。
关键词：数值天气预报；计算机；应用
要把数值天气预报需要的数学方程组合求解出来，是十分费事的事情。英国数学家里查逊在1916年～1918年组织了大量人力进行了第一次数值预报尝试。这一次预报计算证明了要得到未来24小时的预报，如果一个人日夜不停地进行计算，需要算64000天，也就是175年。这次实验给了人们有益的启示。
1950年，美国科学家第一次利用计算机成功地做出了500百帕天气形势的36小时预报。从那以后，一些国家相继将数值预报这一先进的天气预报方法引入到实际业务中。数值天气预报包括气象资料的传输、收集、处理、资料的分析和模式预报计算以及预报结果的显示、分发服务等。从世界上第一次成功地做出数值天气预报以来的几十年来，数值天气预报方法取得了长足的发展，数值的解法日益精确，对大气的描述越加细致，预报的精度和时效不断提高。
数值天气预报是大气学科的一个重要研究领域，是高性能计算机的重大用户，已经成为现代气象天气业务的重要基础。所谓的数值天气预报，或者称“计算机预报天气”指利用数学计算的方法，求解一组描写大气运动变化规律的数学物理方程组，其计算量巨大，需要通过巨型计算机自动计算，制作天气预报。
数值天气预报的发展依赖于高性能计算机的发展和支撑。高性能计算机是如何为气象服务提供技术支持的呢？
随着科技的发展，气象预报已经从过去主要依靠经验预报发展到现在的数值预报。而现在的气象预报与计算机密切相关的主要有三个步骤：首先是气象局处理中心通过卫星、光纤网络、无线网络等通信网络获取大量气象资料；其次，处理中心通过高性能的计算机设备对获取的大量资料进行分析和处理；最后，处理中心将卫星云图、雷达资料等大量各种气象资料存放在由计算机组成的存储中心。
高性能计算机的支持大大有助于提高数值预报的分辨率，使气象预报达到每小时/每公里的预报精度。如为2008年北京奥运会气象服务提供运算支持的曙光64位气象专用机由128颗CPU、32个R4280节点组成，具有可自由伸缩、高度可管理、高可用、高性能价格比等诸多优点。曙光采用了在中尺度数值天气预报领域处于领先地位的NCAR MM5模式。由于MM5中尺度数值模式可考虑高分辨的地形和陆面使用状况等重要的局地迫动因子，并可使用复杂的物理参数化方案，来研究和预测高分辨的局地中尺度天气现象，其相对于大模式的灵活性、细致性，使其应用范围迅速扩大到各种中尺度天气系统的研究，从而大大提高天气预报的准确性。
近日，曙光公司总裁历军透露，继千万亿次的超级计算机曙光“星云”之后，曙光公司的“十亿亿次”超级计算机即将开始研发。十亿亿次超级计算机工作1天，相当于普通电脑工作1万多年。这样超高的精度，应用于预报天气能够精确到分秒。在目前计算机的计算能力内，可能方圆十公里的区域所预报的天气状况都是相同的。但是超级计算机展现出更强大的数据处理能力，可以更精细地显示出该区域内每个角落的天气状况，在预报时间上，也可以由小时精确至分秒。
随着计算机的发展，越来越多的计算机技术被应用到气候预报中，如大数据的.应用。
气候变化会对商品市场和行业造成影响。由于极端天气会造成各类商品价格的大幅波动，银行和商家的利润和损失往往十分惊人；严寒天气和干旱也给电力供应商带来了更大压力。另一方面，越来越多的零售商和生产商开始利用天气预报管理库存。
建立在大数据基础上的气象演算法为一些曾在华尔街工作的应用数学家提供了发掘历史数据的可能性，并应用到日常商战中。如数据气象公司充分利用所设计软件的自适应性成功预报了2013年末的严寒。包括摩根斯坦利和高盛在内的大型交易所、对冲基金和能源生产商在天然气期货价格上涨50%达到五年内最高点时，都有数百万美元盈利或损失。在纽约的某个交易点，天然气现货价格翻了20倍。美国康菲国际石油有限公司首席财务官杰夫·史特斯这样形容冬天的天然气交易“天气成就了这个特别的季度。”另一家主要面对保险公司和大型零售商的气候预测公司使用历史数据预报成功预测了飓风季的减弱。这些都证明了基于计算机技术基础的大数据对气候观测的影响之大。计算机在气候观测中的应用，大大有利于气候预报预报准确率的提高。
如2010年，江西某暴雨研究所建成高性能计算机集群系统。该系统由27台SMP系统服务器、2台曙光高性能管理登录节点、4台曙光高性能服务器和1台曙光控制器构成，拥有高达12.14万亿次的峰值浮点运算能力。高性能计算机集群系统的建成，对大量地面观测数据进行分析运算处理能力的提升，将数值预报分辨率由原来的35公里提高到5～10公里，大大提高预报的时效性和精细化天气预报水平，为实现数值预报由分县预报到分乡镇预报打下坚实基础。
还有，南方某市用超级计算机开展灰霾精细化预报预警工作。灰霾不仅仅跟大气有关，还和大气化学、污染源等因素有关。利用超算中心和中国气象局投入的一个高性能计算机运行来构建模式系统，更加精细的数值预报模式，两个模式的数据互为备份，相互共享，最终来提高预报准确率。
为了及时发布灰霾具体指数，气象局把有关天气的官方微博、微信、网站进一步升级改造，让它更新更快更方便。在当地站上气象部门还提供了一个“数字气象”栏目，市民点击当地地图上的任意点，便可以获知未来三天的天前预报。
“神威”计算机系统落户无锡市气象局，气象预报将精确到小时。由国家并行计算机工程技术研究中心与国家气象中心联合开发，基于神威高性能集群计算机系统的中尺度数值预报业务系统在无锡市气象业务中心的运行将使无锡市天气预报精细化能力进一步提高，天气预报中类似“局部地区有雷阵雨”可以精确到“某某地区有雷阵雨”，“今天白天有小雨”可以精确到“今天11点钟前有小雨”。
总之，数值天气预报已成为现代天气预报业务的基础和天气预报业务发展的主流方向，改进和提高数值天气预报精度是提高天气预报准确率的关键。计算机在气候预报中的应用正在并且将大大助力数值天气预报的发展，提高气候预报的准确率。
参考文献：
[1]周鹏、常兰、李鹏、徐强君、张成伟.WRF模式在南京数值天气预报中的应用.气象科学.2011.05期
[2]李鹏.一次梅雨锋暴雨过程中陆面影响的数值模拟研究.安徽农业科学.2012.01期
[3]陈朝晖、程水源、苏福庆、高庆先.一次区域性大气重污染过程的诊断分析及数值模拟.北京工业大学学报.2010.02期
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