氣象局自主掌握IT核心技術 讓預報服務24小時不打烊

當你坐在沙發上收看電視新聞的天氣預報，你可能很難想像，這些預報結果來自於全世界的觀測資料，每隔數分鐘，遍布於全球各地的高空、地面、海上觀測站會將溫濕度、氣壓、風速和風向等各種觀測資料經過編碼，傳送到當地的氣象中心，再傳送到全球氣象中心資料庫，讓位於臺灣的中央氣象局資訊中心取得這些資料，利用超級電腦，連續24小時執行運算工作，才能得出分析結果。

氣象局每次升級系統時，都會盡可能使用當代最快速的電腦，相較於1987年導入的第一代超級電腦，目前氣象局的運算量已成長了約3,750倍，經由運算量的提升，預報結果才能不斷接近天氣的實際狀況。也可以說，氣象預報是人類企圖藉IT技術的精進，即時掌握老天爺的瞬息萬變。

在臺灣，現任交通部中央氣象局資訊中心主任申湘雄是最早推動氣象業務全面電腦化的參與者之一，他在中央氣象局超過30年的歲月，一路走來，經歷了氣象局資訊中心逐次的蛻變與成長，體認IT對氣象業務的價值與限制。

採訪當天，窗外下著大雷雨，雷聲轟隆隆作響，申湘雄指著窗外的天空說：「現在沒有IT，氣象預測的工作就垮了。光靠人力沒辦法完成這麼龐大的運算。不過，IT還是沒辦法跟天相比，只能藉由大量的觀測資料計算出近似解，所以氣象預報的運算工作永遠沒有休止，你永遠不知道老天爺接下來會給什麼臉色。」

建置數值天氣預報系統，打穩電腦化基礎
因此氣象局的IT逐年不斷成長，藉由更新軟硬體基礎架構，以提供更準確的天氣預報結果，同時也改善對內與對外的預報資訊服務，讓這些預報結果能夠透過網路推廣給民眾與各機關組織，擴大應用範圍。

在1984年，中央氣象局推動了氣象業務全面電腦化第一期計畫，剛從國外學習電腦科學回國的申湘雄對這項計畫很感興趣，決定進入中央氣象局接下這個挑戰。他最初進入氣象局的時候，氣象預報作業只經由75Bps的TTY線路，取得日本的觀測資料，搭配臺灣各地觀測站的資料，由預報人員逐一填入氣象圖表，以人工方式繪製多種氣象觀測圖，再以數學公式計算出氣象預報結果，因為觀測範圍不夠廣、資料量不足，加上人為誤差大，無法提高天氣預報的準確度，所以氣象局決定藉助IT來克服這些問題。

在第一期計畫時，氣象局導入了第一代超級電腦CDC Cyber 205，同時擴大了氣象觀測範圍，透過海底電纜的網路專線，來接收美國和日本當地的氣象觀測資料，並著手建置數值天氣預報系統，改變以往以人工方式繪製氣象圖的作法，將預報人員的氣象預報的流程和公式轉化為電腦程式，取代原先的人工計算程序，讓氣象預報作業從主觀的人為判斷走向更客觀的資料分析，以提升氣象預報的準確度。這也讓臺灣成為亞熱帶地區第一個擁有數值天氣預報系統的國家。

這套數值天氣預報系統依據氣象預報的作業流程，分為觀測、去除誤差、分析、預報等不同功能，來解決當時氣象局觀測資料量擴大到全球後，仍要即時與準確地提供氣象預報的挑戰。

由於全球的大氣流動不斷，各地區的天氣變化會相互影響，若要推估某一地區的天氣變化，觀測範圍必須擴大到全世界，先計算出全球的天氣，再逐次計算到亞洲地區、臺灣甚至是各縣市的天氣狀況，最後才由預報人員查看不同觀測項目的分析結果，藉助人腦中的氣象知識，提出氣象預報結果。此外，系統還會將氣象資料抽絲剝繭，去除觀測過程與不同數值預報模式造成的誤差值，達到更精準的預報結果。

第一期計畫在1989年順利完成後，氣象局將原先臺北資訊測站升格為氣象資訊中心，提高IT在氣象業務當中的地位，往後也不斷擴編內部IT人員，從最初的10多人，直到現在已成長為70多人。

自主開發WINS系統，掌握客製化與24小時維運能力
IT部門經組織調整後，氣象局接著推動第二、三期計畫，加強氣象預報對外及對內的氣象資訊服務，讓內外部使用者更易於查看與共享這些氣象資訊。以對外服務而言，這些氣象資料透過專線傳送到10多個政府機關，包括民航局、國防部、水利署、公路局，以及其他的軍事單位與防救災單位等。這些機關部會以不同網路連線方式，將自己的系統介接到氣象局的天氣預報系統，遠端查詢這些氣象監測資料。

為了向外提供不同單位氣象資訊查詢的服務，氣象局資訊中心將網路頻寬升級為1GB，並陸續建置了雙骨幹備援架構、網路流量監控與網路效能管理的機制，來確保網路運作的穩定性。

在這個階段，氣象局還藉助網際網路，來建置便民的氣象資訊網站，供民眾即時查詢氣象資訊，包括氣溫、降雨機率與各種氣象圖表。申湘雄表示，現在該網站已成為全臺灣各政府機關當中，民眾滿意度相當高的網站。

以內部服務而言，氣象局氣象資訊中心與美國的氣象中心合作建置了一套天氣資料整合與即時預報系統（WINS）。WINS系統整合了數值天氣預報系統，可在單一平臺上呈現衛星、雷達、降雨、雷電、颱風路線圖等各種氣象觀測資料，並增加不同資料交互比對與處理的功能，將不同時間的氣象觀測圖透過疊圖的方式，呈現連續時間的氣象變化，讓內部預報人員更易於查看各種氣象資訊，節省人工製作氣象預報資料的時間，而能投入更多心思在分析及預測天氣現象的工作上。

這套系統同時也奠定了氣象局往後自主開發的基礎。當初美國氣象中心提出以3億元費用，為臺灣的氣象局建置一套WINS系統，而當時的氣象局局長蔡清彥，堅持派內部的IT人員親自遠赴美國學習如何開發WINS系統，學成歸國後，氣象局自行客製出適於臺灣氣象預報環境的WINS系統，每年的開發成本只需要1至2千萬元，大幅節省原先委由美國開發的成本。

申湘雄表示，中央氣象局過去開發的任何系統，不會完全委外交由廠商開發，多數的狀況是廠商進駐氣象資訊中心，讓氣象局內部的IT人員全程參與系統開發的過程，包括系統規畫、建置和測試等工作，而且IT部門必須負責後續的系統客製化與維護管理。原因在於氣象局的電腦系統非常複雜，而且需要維持24小時監控維運，讓內部IT人員自己掌握系統的核心技術，就不會被廠商綁死，同時也能大幅降低日後系統客製化與維運的費用。

不過，這樣也不是沒有缺點的，申湘雄表示，隨著氣象局的系統越來越多，要掌握自主權的挑戰是造成IT人員維運的負擔吃重，必須24小時隨時待命，以維持系統運作的穩定性。如果系統或硬體發生任何異狀，要立即趕往現場啟用備援系統，並展開維修。

另外一項挑戰則是人才難以培養。由於這些氣象業務專用的系統，無論是採用的開發語言與維護管理經驗，在IT界都較少見，新上任的IT人員無法立即上手，必須經過長時間訓練，才能學會這些技術。原先參與開發的IT人員也不容易將技術知識移轉給新進，隨著系統的數量不斷增加，造成IT人員的負擔更加沉重。

目前申湘雄透過分批引進IT人員的方式來換新血，一次不引進太多新人，讓前輩可以花更長的時間來指導少數新進的IT人員，以累積這些氣象業務的IT技術。

氣象對運算資源的需求，帶動超級電腦不斷精進
近幾年來，全球氣候變遷引發許多難以預料的天災，為氣象局帶來新的挑戰。2002年時，氣象局推動了為期8年的氣候變異與劇烈天氣監測預報系統發展計畫，從短期的天氣預報走向對長期氣候變化的掌握，建立天氣與氣候資料整合系統，希望透過不同預報模式，針對單一氣象事件，提供不同的預報結果，目前系統可計算20至40套不同預報模式的預報結果。

接著在2010年，為了加強氣象業務在防救災作業上的觀測密度與廣度，氣象局開始推動災害性天氣監測與預報作業建置計畫，即時提供氣象與海象資訊給各防救災應變單位，同時氣象觀測的視野延伸到351個鄉鎮，在當地建置自動雨量站與自動氣象站，提升地方和中央政府對氣象災害的應變能力。

氣象預報需求帶動超級電腦的演進
30年的歲月匆匆而逝，申湘雄體認到氣象預報業務與IT已成為了相互促進成長的動力。他表示，由於氣象預報越來越追求精準，觀測的空間範圍要擴大至全球，而且觀測次數必須越頻繁、觀測點越密集，才能更逼近氣象的實際運作狀態，這也反映出數值天氣預報系統的運算量勢必不斷增加，對於運算資源的需求要不斷成長。

氣象局透過每隔6年一次的新計畫，將超級電腦的運算效能逐次提升12至20倍，這樣的業務需求同時推動IT技術不斷擴充精進。一路看著超級電腦不斷演變的申湘雄表示，從過去到現在，超級電腦最大的改變之處在於，過去超級電腦是由單顆強大的處理器負責運算工作。現在超級電腦則由數千顆小型的處理器組成，透過分散式運算軟體，分工執行同一份運算工作，如此才能不受單顆處理器效能的限制，可不斷提升運算效能。

在2014年，氣象局氣象資訊中心更將打造一臺超過200TFlops的新一代超級電腦，運算效能將是氣象局現有750GFlops超級電腦的15至20倍。每次汰換超級電腦的運算量，都成為資訊中心新的挑戰，但這也代表氣象預報作業能邁向更即時與準確的坦途。

交通部中央氣象局資訊中心主任申湘雄表示，氣象預報是人類企圖透過IT與老天爺較勁，即時蒐集大量觀測資料，以掌握氣象動態。

CIO Talk─交通部中央氣象局資訊中心主任 申湘雄

學經歷： 美國亞特蘭大大學計算機科學碩士畢業。中原大學數學系畢業後，曾擔任精算師、農復會農業周刊美術編輯，接著進入臺北市政府警察局負責電腦維護，不久後，前往美國亞特蘭大大學專攻計算機科學。1981年進入交通部中央氣象局擔任副主任，提升氣象局資訊中心軟硬體基礎建設與預報服務，目前擔任資訊中心主任。

交通部中央氣象局

●局長：辛在勤
●成立時間：1941年
●員工人數：約600人
●主要業務：數值天氣預報發展與運作、行政資訊系統之發展與維運、氣象資訊服務系統發展與維運、氣象資訊基礎建設
●網址：www.cwb.gov.tw

●資訊部門主管職稱：主任
●直屬主管：局長
●資訊部門人數：約70人
●資訊部門分工：系統控制課、應用軟體課、資料管制課、電腦操作課、網路管理課、數值預報課、服務課
●每年IT預算：約10億元，近期計畫擴增為19億元

IT部門大事紀：
●1984年：臺北資訊測站成立
●1983～1989年：氣象業務全面電腦化第一期計畫，導入200MFlops的超級電腦CDC Cyber 205，並建置數值天氣預報系統
●1989年：臺北資訊測站改名為氣象資訊中心
●1990～1994年：氣象業務全面電腦化第二期計畫，導入2.5GFlops的超級電腦Cray 8I，並建置WINS系統
●1995～2001年：氣象業務全面電腦化第三期計畫，導入50GFlops的超級電腦Fujitsu VPP 5000；WINS系統改版
●2002～2009年：氣候變異與劇烈天氣監測預報系統發展計畫，導入750GFlops的超級電腦IBM P5-575 Cluster 1600，並建置天氣與氣候資料整合系統
●2010～2014年：災害性天氣監測與預報作業建置計畫，預計導入超過200TFlops的超級電腦