氣象局超級電腦九年將三度進化，要讓天氣預報更細更準確

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