“银河”妙算阴晴雨雪——国防科大“银河”系列巨型机在气象领域推广应用纪实

　　●李佩江、本报特约记者王握文

　　今年4月1日，新华社发布消息称，由国防科技大学研制的“银河”系列巨型机在气象领域大显身手，不仅使我国成为世界上少数几个能发布中期数值天气预报的国家，而且对重 大自然灾害的预报能力明显提高，产生了巨大经济效益和社会效益。

　　近日，记者来到被称为“银河”故里的我国首台巨型机诞生地———国防科技大学计算机学院采访，了解到“银河”系列巨型计算机在我国气象领域应用的一些鲜为人知的故事。

　　中期预报胜券在握

　　每年春节、五一、十一长假前夕，中央气象台就会对7天长假期间的天气变化作出预报，以便人们及早根据天气情况作出安排。而对于国庆阅兵、航空兵训练、载人飞船飞行试验等重要活动及国防科研试验，更是需要在事先作出准确的天气预报。

　　如此长时间和准确的天气预报，要归功于中期数值天气预报系统软件的开发应用。

　　那么，怎样对未来的天气情况作出准确的预报呢？人们设想用一种客观定量的方法制作天气预报，像计算天体的运动轨迹一样，预先把未来的天气“较精确地计算出来”，这就是数值天气预报的基本思路。

　　我们知道，地球表面上空环绕着一个厚度为10～20多公里的大气层。人们每天所看到和感受到的阴晴雨雪、冷暖风雷天气，就发生在这10～20多公里厚的大气层里。大气每天都在运动变化，它遵循牛顿运动定理、质量守衡定理、大气状态方程、热力学定理、水汽守衡定理等。

　　科技工作者把作为流体的大气所遵循的物理定理写成数学方程，然后，用数值计算分析的方法对这些数学物理方程组进行离散化，再把离散化的方程组编写成计算机程序，以便借助高速计算机完成这一工作量巨大的运算，这一非常复杂的计算机软件包就称为数值天气预报模式。

　　制作数值天气预报的计算量非常巨大，对计算机条件的要求很高。如果对一个水平分辨率约200公里、垂直分层16层的全球模式作7个要素(如气压、风力、风向、温度、高度、降雨量等)7天的预报，必须求解至少3亿个以上的方程组，其总的数学运算量就更难估算了。这样巨大的运算量人工是无法完成的，必须借助高速运算的巨型计算机才能完成。

　　因此，对未来5至7天的天气预报就是用巨型计算机计算出来的。过去，由于我国没有高性能计算机，无法进行中长期数值天气预报，而一般的天气预报主要依赖从国外进口高性能计算机，在许多方面不得不受制于人。

　　“银河”显威气象领域

　　1983年12月26日，我国第一台巨型计算机“银河—I”亿次巨型机在国防科大诞生，使我国成为继美国和日本之后第3个能研制巨型机的国家。此后，随着“银河—I”、“银河—II”、“银河—III”巨型计算机在国家气象中心等部门的投入使用，我国完成一次性10天的全球中期数值天气预报的计算，已是一件轻而易举的事情了。

　　据介绍，国防科大研制的“银河”系列巨型计算机，到目前已先后有13台在国家气象中心等部门投入使用，成为我国应用领域最广、销量最大的国产巨型机。

　　“银河”系列巨型机何以能在气象领域的成功推广而受到用户青睐？国防科大计算机学院有关领导介绍说，这主要是他们在研制过程中确立了“面向应用需求，角逐计算技术前沿，为国防和国民经济服务”的科研方针，确立了“系统可靠、软硬配套、服务周到”的质量方针，学院在1999年1月就通过了ISO9001国军标质量认证。

　　多年来，国防科大在设计研制“银河”系列巨型计算机过程中，始终坚持把研制生产与开发应用相结合，把“好用”、“实用”作为国产巨型机走向市场的生命线。他们在研制我国首台巨型计算机“银河—I”时，该校科技工作者就与国家气象部门探讨气象领域对巨型机的需求，经过多年奋力攻关，终于突破了向量化并行算法等关键技术，在“银河—I”亿次巨型机上建成我国第一个全面向量化的大型应用软件———“高分辨率中期预报模式银河高效软件系统”，使国产“银河”巨型机完成24小时天气预报的运行时间大大缩短，一年可为国家节省机时费数百万元。

　　“中期数值天气预报”是衡量一个国家气象科学综合能力和发展水平的重要标志。国防科大在研制开发“银河—Ⅱ”10亿次巨型机系统的同时，采取一边研制机器，一边与应用单位联合开发中期数值天气预报并行应用软件的“同步进行法”，使这一巨型机系统问世后很快就在国家气象中心投入正式运行，将24小时天气预报运行时间缩短为数百秒钟。欧洲中期天气预报中心研究部主任了解这一情况后，连声称赞“了不起！了不起！”

　　国家气象中心施培量副主任告诉记者：国产“银河”系列巨型计算机在国家气象中心投入运行以来，有效地提高了我国中期数值天气预报的能力，在1996年和1998年等多次自然灾害天气预报中发挥了重要作用，产生了巨大的经济效益和社会效益。特别是在2000年12月31日迎战计算机“千年虫”的关键时刻，国防科大研制的“银河—III”巨型计算机出色完成了关键业务的备份任务，保证了新千年第一天数值天气预报工作。

　　气象装备日益数字化

　　随着我军现代化建设步伐的加快，对军事气象的保障要求也越来越高。为加速提高我军气象保障的数字化、智能化水平，1997年年底，我军气象部门与国防科技大学密切协作，开始研制“军用数值天气预报系统”，科技工作者仅用1年半的时间就完成了国外同行需要3年才能完成的大型分布式并行应用软件系统的研制，在“银河—III”百亿次巨型机上开发“并行化全球中期数值天气预报模式系统”和“并行化全球气象资料四维同化系统”等，有效地解决了军事天气预报中的关键技术，实现了我军气象保障技术的重大突破。

　　1998年10月5日，“银河—III”正式列为我军气象装备，服务于军队现代化建设，使我军气象工作阔步走向现代化。据介绍，自首台“银河—III”装备部队以来，在军事演习和国防科研试验中发挥了重要作用。

　　从1997年起，空军启动了航空中期数值天气预报业务系统工程建设。他们与国防科大开展联合攻关，于2001年3月圆满完成了这一工程建设任务。航空中期数值天气预报系统的研制成功，使我军航空预报形成了气象雷达信息网，增强了雷雨、冰雹等航空危险天气的监测、预警能力，其探测信息综合应用能力大大提高，为我军航空兵训练及作战需求提供了有力的技术保障，标志着我军航空气象预报实现历史性跨越。

　　据了解，中国气象局与国防科大已签订了合作协议，实现双方资源共享，优势互补。以“银河—III”为业务主机的“中期数值天气预报系统”，在国防和国民经济建设中正发挥着越来越重要的作用。