中央氣象局氣象資訊中心主任劉國隆 (攝影/洪政偉)

今天天氣是冷、是熱?下午會不會變天下雨?這些可能是大家每天外出上班、上課,或是到市場買菜時都會思考的問題,許多人都會看一下天氣預報,決定出門是騎機車或開車,還是坐公車或搭捷運,要不要加件薄外套或毛衣,是否要帶雨傘。天氣預測不只關係到民眾的日常生活,當颱風來襲或是豪雨發生時,也是政府及民間防災的重要參考。

但你知道嗎?在幾十年前,國內氣象預報只能預測100多公里大範圍的天氣變化,當時天氣預報只有北部、中部、南部或離島地區,僅能約略知道大範圍內的天氣情形,對民眾而言,實用性可能不大,但經過數十年發展,中央氣象局(簡稱氣象局)逐步縮小天氣預報範圍,現在已能預報全國368個鄉鎮,未來48小時、每3小時更新天氣預測。

國內天氣預報範圍能夠縮小範圍,預測小區域天氣變化,與氣象局採用數值天氣預報(Numerical Weather Prediction,簡稱NWP)有關,其原理是,天氣是大氣的流動,科學家透過一組數學微分方程式,計算氣象觀測數據,預估未來天氣的變化,因計算過程複雜,多交由超級電腦計算。由於大氣的流動牽涉到溫度、溼度、風速、風向、氣壓等不同參數,彼此相互影響,數值天氣預報將地理空間切分為不同大小(長、寬、高)的方格,在氣象領域稱為網格,以分析一個範圍或特定區域內氣候變化,網格解析度愈高(即方格愈小),愈能預測小範圍地區天氣變化,但也因而需要分析更多的氣象數據,需要更多的計算資源,氣象局這幾年能夠縮小預測範圍,提升預報準確度,關鍵之一是不斷提升氣象超級電腦的效能。

目前氣象局所使用的第5代氣象超級電腦,是在2014年建置完成,採用當時全球最快的富士通超級電腦「京」的技術,分3年的時間共投入5億元建置,總運算效能達1PFlops以上,當時曾是國內最快的超級電腦,但使用至今已超過8年時間。

氣象局正在建置第6代系統,要比前一代提升10倍以上的效能,超過10PFlops,甚至總效能最高可達15PFlops,背後的關鍵推手就是2019年上任的氣象資訊中心主任劉國隆。

數值天氣預報仰賴超級電腦

劉國隆在氣象局任職超過30年,他剛加入時,氣象局正推動氣象業務的電腦化,準備建置第一代超級電腦,在電腦化作業之前,早期是以人工方式,將各地氣象觀測數據填入氣象圖表,描繪氣象觀測圖,由人工以數學方程式計算預測結果。

劉國隆表示,在50年代開始有人研究數值天氣預報,直到80年代各國已認識到數值天氣預報確實可成為天氣預測的重要指引,競相投入該領域發展,臺灣也開始跟進全球趨勢。然而,天氣預測需要計算大量的氣象數據,需要更快速的運算資源,因此各國不斷提升氣象超級電腦效能。

由於早期臺灣天氣預報,最小預測範圍為100多公里,因此僅能預報臺灣北部、中部、南部地區天氣,因範圍太大,對民眾來說,只能獲得概略性的區域天氣參考,後來氣象局逐漸縮小預報範圍,才能提供各縣市、鄉鎮地區天氣預測。

氣象局得以分析預測更小範圍的天氣變化,背後仰賴超級電腦提供更大的計算效能。劉國隆以網格解析度100公里為例,要縮小至50公里,並非單純的增加2倍效能,由於網格的長、寬、高加乘,需要8倍的計算效能,加上預報時間間隔縮短或是天數拉長,需要上百倍甚至、上千倍的計算效能。「更精細的天氣預報時間與空間,需要更大的計算量能」。

打造第6代超級電腦

為此,行政院在2020年通過前瞻計畫,強化氣象資訊基礎建設計畫,主要為提升我國氣象超級電腦,去年氣象局對外招標,以3年共15億元建置第6代氣象超級電腦及相關系統,希望在面對極端天氣變化下,讓未來的天氣預報能定時定點定量,朝更長的預報時效目標邁進。最後這項標案決定採用現今全球500大超級電腦第1名的富岳(Fugaku)超級電腦商用技術。

第6代系統分3年、3期建置,去年底開始第1期建置,考量COVID-19疫情可能延緩系統建置作業,第1期分為兩個階段,第1階段先建置暫置系統,取代原本的第5代超級電腦執行數值天氣預報計算工作,第2階段建置新系統。第1期預計先完成效能2PFlops的新系統,後續第2、3期再各別完成4PFlops效能,預計在2023年完成,屆時總效能可達10PFlops,加總效能上看15PFlops。

攝影/洪政偉
中央氣象局氣象資訊中心主任劉國隆表示,氣象局運用新科技以提升IT對氣象作業服務效能,IT扮演氣象預測的大腦角色,而超級電腦則是氣象預測的中樞。

提升天氣預報的精細度

相較於第5代超級電腦,將數值天氣預報的區域模式網格解析度,從5公里縮小為3公里,未來第6代系統完成後,可望再進一步縮小到1公里。

劉國隆表示,從3公里降到1公里,將大幅提升天氣預報的精細度。以臺北市松山區為例,大小約為9平方公里,儘管第5代系統的網格解析度可達3公里,長度乘上寬度正好涵蓋9平方公里,但因行政區並非正方形,要預松山區的天氣,通常要納入行政區涵蓋的數個周邊網格,才能綜合研判該地區的天氣。第6代系統將網格縮小至1公里,能夠納入更多精細的網格點綜合參考,相較於先前較為模糊,網格長度愈小,天氣預報解析度便愈精細。

更小範圍的天氣分析,有利於地形複雜的行政區的天氣預測。例如臺北市信義區、士林區,行政區內涵蓋了山區地形,靠近山區的地方較容易下雨,而遠離山區的其他地方卻不容易下雨。另外,網格不只是平面,還包括高度,對於地處高山地形的臺灣,能夠以更精細的方式預測天氣。

值得一提的是,在第6代系統,除了CPU運算節點,氣象局也採購部分的GPU節點,為Nvidia A100。劉國隆解釋,過去數值天氣預報仰賴CPU運算,但國外在數值天氣預報的發展上已開始轉型,測試運用速度更快、核心更小、成本相對較低的GPU,氣象局會開始在某些模式,跟進美國及全世界發展,測試GPU是否能提供更好的運算方案。

不過,劉國隆坦言,要利用GPU進行數值天氣預報的計算,應用程式需要改寫,由於程式非常大,無法立刻調整、完成測試,加上氣象局為作業單位,需要穩定的提供預報服務,對於何時開始採用GPU進行數值天氣預報運算,氣象局內部還沒有明確時間點,但氣象資訊中心正積極研究數值天氣預報轉型在GPU執行的方案及技術。

由於GPU適用於影像繪圖處理、機器學習等應用,氣象局內部已採購一部分GPU設備,用於預報產品的製作,例如過去以平面圖為主的衛星雲圖、雷達圖、颱風動態圖,結合3D立體動畫,讓民眾或氣象研究專家、防救災單位透過3D立體動畫,更容易了解颱風結構。

加速氣象超級電腦世代發展

未來第6代系統在2023年建置完成後,將帶來10PFlops到最高15PFlops的運算效能,可望進入全球500大超級電腦排名,但氣象超級電腦僅是全球超級電腦的一部分,相較之下,其他國家頂尖超級電腦效能已達到上百PFlops。

以2021年11月公布的500大超級電腦排名來看,第1名的富士通Fugaku效能為442PFlops,而首次進入第10名的微軟Azure系統也有30.05 PFlops,而從現在到2023年之間,其他國家也同樣不斷提升超級電腦效能,各國超級電腦競爭相當激烈。

「各國在超級電腦的競爭,可以奈米戰爭來形容,競爭相當激烈」,劉國隆說。以第6代超級電腦為例,完成後效能雖達10到15PFlops,但以去年各國氣象使用的超級電腦來看,頂尖的氣象超級電腦已達60PFlops,韓國使用的氣象超級電腦也有50PFlops。

此外,過去氣象局每一代超級電腦在建置完成後,平均使用年限約為6到8年,再爭取新經費打造下一代超級電腦,若按照過去氣象超級電腦使用年限來看,第6代氣象超級電腦在2023年完成後,可能直到2027年、2028年臺灣的氣象超級電腦效能仍停留在10到15PFlops。這段期間,其他國家的氣象超級電腦可能已發展到100PFlops,甚至是200PFlops以上。

劉國隆直言,若按原來超級電腦6到8年使用年限,未來建新的超級電腦不可能立即從10PFlops跳到200PFlops上以,「氣象超級電腦發展策略需要隨氣象長期發展目標而改變,不能等到年限到才發展下一代,而是要一代一代跟上去」,劉國隆堅定地說。

去年氣象局赴行政院會報告,說明超級電腦的中長期規畫,為因應極端天氣下,行政院為提升我國天氣預報能力,將在第6代超級電腦建置完成的2023年隔年,即2024年開始,以9年45億元,每3年1代的方式建置新的氣象超級電腦,即9年之內建置第7、8、9代超級電腦,每一代超級電腦並非汰換,而是不斷向上擴充效能,最終效能將累計達到150PFlops。

在9年內建置3代超級電腦後,氣象局預估數值天氣預報的區域模式,網格將從1公里再縮小至500公尺,一般天氣預報為5到7天,未來預報天數將可拉長至15天,並改善對颱風預測的誤差。

「氣象局運用新科技以提升IT對氣象作業服務效能,IT扮演氣象預測的大腦角色,而超級電腦則是氣象預測的中樞」,劉國隆表示。

扶植民間氣象服務產業

儘管加速超級電腦升級效能,縮小天氣預報的精細度,以提高預測的準確性,但氣象局的人力、資源有限,難以滿足民間的氣象服務需求,他認為應該如國外扶植民間氣象產業一樣,由氣象局扮演上游氣象資料提供的角色,民間的氣象產業發展各種氣象加值服務,滿足不同產業需求。去年在交通部策略下,促成氣候服務聯盟成立,氣象局與聯盟合作,意在扶植我國的氣象產業。

「透過扶植合作,氣象局扮演上游角色,讓民間氣象產業的觸腳伸出去,氣象局無法做,或民間做得更好的,讓民間去做」,劉國隆說。

 CIO小檔案 

中央氣象局氣象資訊中心主任 劉國隆

學歷:中國文化大學氣象學系

經歷:畢業後加入交通部中央氣象局,1996年擔任氣象資訊中心網路管理課課長,2007年調任中央氣象局秘書室總務科科長,之後在2009年回到氣象資訊中心擔任副主任,並於2019年接任氣象資訊中心主任,在氣象局任職達37年,大部分在氣象資訊中心服務。

 機關檔案 

交通部中央氣象局

地址:臺北市中正區公園路64號

成立時間:1941年

主要業務:氣象觀測(包含地面、高空、衛星、海象、地震)、氣象預報與警報(氣象預報、海象預報、地震預報)、氣象服務

員工數:約1,000人

局長:鄭明典

 資訊部門檔案 

資訊部門主管職稱:氣象資訊中心主任

資訊部門主管姓名:劉國隆

資訊部門人數:100人

IT預算:6億元

 IT大事記 

1976年:成立任務編組性質的電子計算機中心

1984年:推動氣象業務全面電腦化,成立臺北資訊測站

1987年:啟用第1代超級電腦CDC Cyber205

1990年:從臺北資訊測站改名為氣象資訊中心

1992年:啟用第2代超級電腦

2000年:啟用第3代超級電腦

2006年:第4代超級電腦上線

2014年:完成第5代超級電腦建置

2018年:執行氣象資訊之智慧應用服務計畫

2020年:執行前瞻計畫,強化氣象資訊基礎建設計畫


熱門新聞

Advertisement