當立法院於今年5月審查中央氣象局的高速電腦預算時，曾有委員以氣象預報準確率過低來調侃氣象局，期望更新電腦後能確實提高預報的準確性。
事實上氣象研究一向是最需要電腦效能的領域，根據Top500超級電腦組織（www.top500.org）的最新統計（2005年11月），在世界前500大超級電腦中，其中19臺是由氣象研究單位擁所有，排名最高的是第16名的韓國氣象廳，其次是第26名的中國氣象局。至於安裝在日本橫濱地球科學學院中，專為大氣循環預測、溫室化預測、地殼變動等計算而開發的地球模擬器（Earth Simulator）更曾佔據世界超級電腦速度榜首多年，在在顯示氣象研究是尖端電腦技術應用的一大重點。
然而氣象預報雖然是對一般民眾最切身的服務之一，但多數人只會責怪氣象單位的預報不夠準確，而不能理解氣象預報的原理及其限制。現於台大大氣研究所擔任研究助理的賴曉薇表示，天氣預報不是算命，而是結合數學、物理和電腦的應用科學，有其發展和限制。
賴曉薇大學時原來主修護理系，基於個人對氣象的興趣而選擇了大氣科學作為輔修，隨著研究的深入，後來更完全轉到大氣研究領域，一路經由碩士班、博士班，直到進入臺大大氣科學研究所周仲島教授的P-3研究室參與研究工作，在這個領域已有7、8年的時間。
電腦問世使氣象數值預測成為現實
大氣的行為可用一組以數學方程式表示的物理定理來表達，由這些物理定理可以計算大氣的量或場（如溫度、風向和風速及濕度等）將如何改變，因此如果可以解出這組代表物理定理的數學式，就可以由目前的天氣狀態推衍出對未來天氣現象的描述，這就是所謂的數值天氣預報。
雖然20世紀初就已經發展出可用於預測大氣狀況的方程組，但在只能依靠人工計算的當時，求解這組偏微分方程式所需工作量過大，對有時效性的氣象預測來說並不現實。「如果24小時後的天氣預測要1個月的時間才能算出來，那就沒有意義了」賴曉薇解釋。
電腦技術的發展是數值天氣預報得以實現的關鍵，自1940年代末期計算機發明至今，幾乎在任一時期數值天氣預報系統都使用了當代最快速的電腦。高速計算工具使得快速處理極端複雜、且計算量龐大的數值天氣預報問題獲得解決，此後數值天氣預報（NWP）也就成為最重要的氣象預報方式，而數值天氣預報系統也唯有使用最快速的電腦才能展現其突出的預報應用價值。
工作站、叢集系統的發展普及了數值氣象預報研究
數值氣象預報是唯一可大幅提高短期天氣預報準確率及延長預報有效時間的方法，因此高速電腦也成為發展數值天氣預報必要的設備。但高速電腦價格高昂，只有國家級的大型研究機構才有購置的預算。
「幸好我們生活的地方正好是電腦王國。」賴曉薇說，「現在一般商用電腦設備就有能力處理非即時的氣象研究和區域性預報。」隨著高階工作站的處理能力逐漸提高到可滿足數值氣象預報的基本要求，因此許多非國家型的研究單位在購入工作站後也能獨立進行數值氣象預報計算。不過這些工作站均為專屬規格，操作與維護成本對小型研究單位來說相當重，而在提昇運算速度的潛力上也有限，而叢集（Cluster）電腦的出現恰好解決了這個問題。
透過叢集的多主機平行與分散式計算，研究單位可以較低的價格取得需要的運算能力，也便於彈性擴充。賴曉薇介紹他們P-3實驗室這兩年也開始採用叢集取代過去使用的HP、Sun與SGI工作站。目前P-3實驗室主要用於數值氣象預報的電腦為2部叢集系統，較早的一套是每節點（Node）含2顆Xeon處理器的6節點叢集，去年底又交機一套8節點系統，每個節點也包括2顆Xeon，整套系統共有16GB的記憶體。
由於叢集的所有元件都是市場上的標準零件，以較新的8節點叢集為例，他們只花了不到百萬元的經費就取得了需要的裝備，單就性能價格比來與工作站相比，叢集確實相當實惠。
執行一次72小時後的氣象預報所需運算時間從原來的5小時縮短至70分鐘，比起只需幾分鐘就能完成同樣運算的氣象局Fujitsu V5500或海軍用的Cray超級電腦雖然有相當大的差距，但就他們實驗室的研究目的來說還算足夠。
不如想像中美好的叢集使用經驗
然而賴曉薇以自身實際的經驗表示，叢集的效果並不如當初設想的那麼美好。首先是叢集系統穩定性的問題，新系統購入後曾經非常不穩定，雖然理論上叢集中單一電腦的故障只會降低效能，而不會讓全系統停擺，但數值氣象預報的計算幾乎都是以滿載在使用叢集，只要叢集中任一電腦失效，整個運算也就無法進行。
而且P-3實驗室的預報運算是連續與即時的，一旦因機器故障而使某天的計算不能完成，日後還要找出空閒的計算機時間把漏失的數據補上，造成惡性循環。
經常當機除了無法正常工作外，也會面臨叢集重新開機麻煩的問題。雖然叢集在邏輯上是組成一部大機器，但實體上是由多部機器組成，一旦因當機而要重新啟動時，必須依序開啟Master主機與多部Slave主機，耗時相當久，不像單一工作站那樣方便。
除系統穩定性外，賴曉薇認為軟體也是一個問題，目前叢集系統使用的作業系統是SuSE，主要執行的是MM5或WRF氣象方程組的計算程式，但不是所有軟體都能支援多處理器作業，而且不管是作業系統或應用軟體的操作都還是大量依靠命令列指令，相當不方便。「更強大、更穩定的電腦與更親切易用的介面是我們的期望」賴曉葳表示。文⊙張明德
氣象預報的準確率為什麼不如人意? |
| 「過去氣象預報要達到令人滿意的水準是非常困難的，主要受到觀測密度和電腦設備的限制。近年來氣象觀測技術和數值方法的發展，以及電腦設備的提升確實大大增加了氣象預報的準確度。初始觀測的品質是現今限制氣象預報準確度的主要來源」賴曉薇表示。
氣象研究都必須建立在準確且緻密的觀測上，但受地理環境與經費限制，很難達到理想的觀測品質。如海洋就是設站的盲點，除非有島嶼，否則根本無法取得資料。另外一般觀測站都是設在地表，要取得不同高度的資料只能透過飛行器，但即使是中央氣象局也只能一天兩次在兩個測站施放氣象汽球。就觀測數據品質來說，目前最能掌握的還是陸地地表的大氣狀況，其餘部分就只能使用內插代替。然而海洋佔地表70%面積，地表也只是大氣的一小部份，真正有觀測值支持的其實只有一小部份，與實際狀況有相當的落差。 得到觀測結果後就能製成不同網格點或解析度的初始場資料，放到氣象模式進行預報計算。由於時效問題，氣象預測計算的範圍與解析度都會受到電腦性能的限制，如果電腦速度不夠，就只能代入比較「粗」的解析度。譬如將解析度設為50×50公里，也就是網格點取值間隔50公里，小於這個範圍的數值就以假設代替，然而對地形變化劇烈的臺灣本島來說，這種粗解析度求出來的結果也常常會失真。原本觀測所得到的數值就已經有許多缺漏，而在執行數值預報計算時限於電腦性能，又放寬解析度代入許多假設條件，最後得出來的預報結果不盡如人意也不足為奇。「氣象預報與產業緊密結合的程度超乎民眾的想像，目前的趨勢是將氣象預報產品與水利、防災結合，減少損失是最大的獲益。因此在氣象預報和觀測方面多投入人力和資金，改善預報準確度絕對是值得的。」賴曉薇表示。 |
IT人物－賴曉薇
臺灣大學大氣科學研究所研究助理
●工作內容：網站系統開發與維護
●學經歷：臺大護理系，臺大大氣科學系，臺大大氣科學研究所博士班
公司檔案－台灣大學大氣科學研究所
●網址：www.as.ntu.edu.tw
●成立時間：1972年（大氣科學系）、1982年（大氣科學研究所）
●研究領域：氣象學、天氣學、大氣動力學、數值天氣預報及空氣污染研究
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