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國產“大腦”算的天氣預報更準嗎

時間:2019-04-03      來源:

對于關心天氣預報的人們,這是一則破天荒的消息:中國人終于擁有了國產超算、國產模式、國產數據“三合一”的國產氣象高性能計算機系統。前不久,這臺名為“派-曙光”的國之重器通過業務驗收,正式“上崗”。

對很多年輕的手機發燒友來說,購買手機首先要看它的硬件配置:希望它處理器更強,打游戲流暢無阻,存儲空間大,還能兼容市面上大多數應用程序,而且用起來省電,最好不要發熱。

而對全球主要的氣象機構來說,他們對高性能計算機的需求,就和這些發燒友對手機的需求很是相似——架構更先進、計算能力更強、存儲容量更大、更加綠色節能,可有效支持海量數據的處理和眾多模式的運轉,幫助氣象部門更快地研究制作發布更加精準的天氣預報。

當然,和手機一樣,高性能計算機也有自己的“服役期限”,這個周期大約為6——8年,也正因如此,全球主要氣象機構高性能計算機更新換代的新聞頻頻見諸報端。如今,我國天氣預報“大腦”也迎來了更新換代,而上一次還是4年前的事,那時還是引進的“進口貨”。

天氣預報需要超算有多“硬核”

高性能計算機系統,還有一個更為人熟知的名字——超級計算機,或者超算。自2013年以來連續登陸全球最強超級計算機榜首,國產超算包括硬件、應用等在內的優越性能便廣為人知。

但很多人不了解,每天服務于人們生產生活的天氣預報,對超算的需求有多么迫切和嚴苛。

中國科學院院士、中國科學院大氣物理研究所研究員曾慶存說,預測未來一個月、一年,甚至幾十年的氣候,關系到國民經濟建設方方面面,如夏季洪澇、冬季霧霾、農業規劃、能源布局等,在全球變暖的背景下,氣候預測愈顯重要。但是,預測天氣和氣候卻是世界上最復雜的問題之一。

古人看云識天:天上鉤鉤云,地上雨淋淋。這是過去的天氣預報——憑個人經驗。到了20世紀,人們已發明和應用了氣象儀器來測量大氣狀態,氣象學開始進入“科學時代”。曾慶存說,特別是無線電的應用,使各地的氣象觀測數據能及時匯總到一個中心,繪成“天氣圖”,但天氣圖還是嚴重依賴預報員的主觀判斷。

從20世紀50年代開始,數值模式預報方法取得了成功。然而,60多年來,人們所需的氣象預報時空精度越來越高,數值模式已經從一個簡單的正解方程發展到世界上最復雜的軟件項目之一,海量數據和數百萬條代碼總能輕易占滿計算設備的所有可用資源。

中國氣象局最近一次提出的“計算”需求是:高性能計算系統峰值運算速度要不低于8000萬億次每秒,內存容量每1個CPU核,至少對應6GB內存,在線存儲容量要大于12.6PB,全系統可用度超過99%,等等。

時值國產超算蓬勃發展,已接連在全球最強超級計算機榜單中“拔得頭籌”。這套國產高性能計算機系統以超出預期的性能令人眼前一亮——

峰值運算速度達到每秒8189.5萬億次,約為此前中國氣象局使用的進口高性能計算機系統的8倍;內存總容量達到690432GB;在線存儲物理容量為23088TB;全系統可用度超過99%,等等,無一例外都達到了預期。

據“派-曙光”相關負責人透露,在系統架構上,它有兩套子系統互相備份,計算資源相對獨立,共享存儲資源。“如此一來,即便其中一套出現故障,另一套會提供同樣的支持,氣象業務可靠性大大提高”。

如何造就一顆氣象“最強大腦”

該負責人還提到,為了支持氣象新領域的研究和適應未來高性能計算機系統的發展,科研人員還在這套高性能計算系統中特意配置了小規模試驗子系統,支持相關研發與試驗,希望借此為將來天氣氣候模式在異構平臺的移植提供實驗環境。

“國產超算助力氣象業務運行,這不是第一次,也絕不是最后一次。氣象強國與國產超算的未來,都值得期待。”該負責人說。

當然,要發揮這套高性能計算機系統強大的計算能力,有一個問題無法回避:那就是如何合理調配資源,既不讓它們“打架”,又不讓計算資源浪費,同樣是一門大學問。

在這套高性能計算機系統上,運行著眾多的氣象業務系統。它如同一個巨大的生產車間,而各個節點則相當于工人,一起在車間里勞動。這個車間的調度者需要一個高效率的指揮工具,這樣才能站在全局高度,指揮各個“工人”分工合作,發揮出最高的生產效率。

一個名為“Gridview”的作業調度軟件,就是這套高性能計算機系統的“指揮工具”,提供調度策略、業務流程監控。

截至目前,來自我國“風云”系列國產氣象衛星的數據,已經全面應用到這臺國產高性能計算機系統所支持的業務和科研作業中。

按照曾慶存的說法,目前的“3天天氣預報”,已在全球范圍達到70%至80%的準確度,如果是一定區域,比如我國華南地區的“3天天氣預報”,準確度能高于80%。同時,國際上天氣預報的有效性已從早期的1——3天提高到5——7天。

在2018年9月到11月短暫的試運行期間,這套國產高性能計算機系統更是扛起了包括冬奧氣象模式運行、全國水平分辨率200m風能資源圖譜制作、全球大氣再分析產品研制等在內的多項業務、科研重擔。

這其中,在2018年“瑪麗亞”“安比”“山竹”等臺風預報中,這套國產設備已為全國天氣預報會商提供了“不可取代的作用”。

“如今,我們已經能把臺風信息牢牢掌握住了。”曾慶存說,近年來,多個臺風的24小時預報登陸點和實際登陸點相差50公里左右——臺風半徑是1000公里,看相對值的話,50公里已經是很小的誤差范圍了。邱晨輝


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