涨知识：这个“超级大脑”改变了中国的天气预报！
当下，我国的气象“超算”和数值天气预报已较成熟。但在上世纪80年代末90年代初，为了让我国的数值预报“横空出世”，气象人曾走过一段艰辛的路。
今天就来讲一讲，1992年“全国十大科技成果之首”——“银河-Ⅱ”巨型计算机，与中期数值天气预报系统结缘的故事。
中期预报的艰难岁月
20世纪80年代，数值预报已经成为国际天气预报的主流发展趋势，而我国的中期数值天气预报系统尚未建立，已经成为制约预报能力提高的重要因素。
在这样的背景下，一系列发展计划出台：中期数值天气预报被列入“七五”国家重点科技攻关计划，预报系统建设项目也通过了审批立项。
在多名专家的论证下，一个庞大的设计方案渐渐成型：装备高性能计算机、研发数值预报系统、引进并消化吸收先进技术路线……
但这项工作面临着诸多困难：中期预报系统要在巨型计算机上运行，现有的机器远远无法满足需求。
不仅如此，进口机器的渠道也被限制，由美国、英国、法国、意大利、德国、日本等二十多个国家组成的巴黎统筹委员会，对社会主义国家实行禁运和贸易限制，不同意将机器卖给中国。
为了解决燃眉之急，气象部门采用“小马拉大车”的办法，将本应在巨型机上完成的研发工作，提前在现有的“M-360”中型计算机上进行。这台机器经过扩体升级，首先完成科研攻关任务，实现中期数值天气预报系统的准业务运行。
科研“抢跑”，计算机也要跟上，巨型机可以迟到，但不能缺席。
1988年3月，气象部门作为第一个急需用户，与国防科技大学签订了研制“银河-Ⅱ”10亿次巨型计算机的合同，一场紧张的技术攻关就此展开。
图为1988年3月12日，“银河-Ⅱ”巨型计算机系统合同签字仪式。
中期预报的逆境中诞生的“银河-Ⅱ”
研制巨型计算机，毫无疑问是一项复杂又困难的任务。而在当年特殊的历史背景下，人们面临的挑战尤为严峻。
当时，巨型计算机技术垄断现象严重。掌握技术的少数发达国家，采用“一卡二冲”的策略限制其他国家发展。
“卡”就是拒绝出口高出对方技术水平的计算机，增加发展的难度；“冲”则尤为可怕，指当对方研发出某个档次的计算机时，便放开限制大量出口低于这个档次的计算机，以低廉的成本冲击对方刚刚建立起来的技术基础。
面对这样困难的形势，曾成功研制“银河-Ⅰ”，实现我国高性能计算机零突破的国防科技大学再次承担了重任。研制者们在国内首次采用50兆赫的工作频率和4个高性能处理机并行处理结构。
在当初，这个结构可以说相当“大胆”——频率上升意味着机型的结构要更为紧凑，布线不仅要短，而且要尽可能地少。
“银河-Ⅰ”一块电路板有7层，单面安装百余个器件，在当时已被认为到达了极限。而“银河-Ⅱ”要求在一本杂志大小的电路板上布数千条线、安装数百个器件、制造14层电路板，难度可想而知。
当年“银河-Ⅰ”的电路板图，是抽调了近百名知青精心绘制而成的。但精细度进一步升级后，手工操作已经无法满足“银河-Ⅱ”的高要求。此时，中国计算机并行算法研究与应用创始人之一、时任“银河-Ⅱ”应用软件主任设计师的李晓梅应用她已经潜心研究10年的计算机辅助设计系统，绘制出了4万多张精密图纸，帮助渡过难关。
图为“银河-Ⅱ”巨型计算机“证件照”
而最值得一提的，无疑是气象部门在“银河-Ⅱ”研制过程中的全程参与。国家气象中心作为用户，全程参与其中，在研制机器的同时，便着手开发中期数值天气预报系统。
气象超算与数值预报共同进步
1992年11月18日，中国自主研发的“银河-Ⅱ”巨型计算机诞生。同日，中期数值天气预报业务系统作为首个应用试算成功，登上历史舞台。
一个计算能力强，一个对算力需求高，两者可谓天作之合。
图为1993年10月，中国首台“银河-Ⅱ”巨型计算机中期数值预报新业务系统运行庆典
以1992年的“银河-Ⅱ”为界，在那之后，气象部门引入高性能计算机的脚步从未停止，CRAY C92、IBM SP、 神威 -1、IBM
Cluster1600、神威4000A、IBM Flex System P460，无论是计算能力，还是存储容量，都不断升级。
与此同时，我国的全球和区域数值模式研发不断取得突破。如今，GRAPES全球数值预报系统平均可用时效达到7.3天，GRAPES区域数值预报系统水平分辨率由15公里提高至10公里。
气候预测能力也进一步提高：BCC_CSM全球高分辨率气候系统模式进一步改进完善，东亚地区气候预测、气候变化模拟和预估能力提高。
国产“超算”挑起气象服务大梁
2019年初，首台应用国产卫星数据、运行国产模式的气象高性能计算机系统“派·曙光”投入业务运行，一颗崭新的“最强大脑”加入了气象事业。
国产高性能计算机系统“派·曙光”概念图。
它不但具有国际前列水平的计算能力，也配有灵活高效的调度指挥系统，在网络速度、冷却技术、绿色节能等方面均取得了长足进步。
移植到“派·曙光”上运行的GRAPES、BCC_CSM等各个数值模式，效率明显提高。“派·曙光”已经具备了挑起气象业务科研“大梁”的实力。
不仅如此，“派·曙光”还兼顾未来进一步发展，设有一台小规模试验子系统计算机，支持
GPU/众核环境下气象模式的研发与试验。
如今，我国的天气预报准确率与超级计算机的计算能力，已经达到了当年难以想象的高度。中期天气数值预报系统在“银河-Ⅱ”上的亮相，是技术进步征程上一座光辉灿烂的里程碑，令人永远难忘。
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中国气象报社出品
策划监制：段昊书
本文作者：刘钊
图片来源：中国气象报 国防科技大学 国家信息中心
微信编辑：米夏
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