超級計算機，如今已是氣象工作不可或缺的利器，數值預報則是天氣預報的重要技術手段。兩者珠聯璧合，共同成就了當代天氣預報的主流方法。 當下，我國的氣象「超算」和數值天氣預報已較成熟。但在上世紀80年代末90年代初，為了讓我國的數值預報「橫空出世」，氣象人曾走過一段艱辛的路。 今天就來講一講，1992年「全國十大科技成果之首」——「銀河-Ⅱ」巨型計算機，與中期數值天氣預報系統結緣的故事。
第一章
中期預報的艱難歲月
20世紀80年代，數值預報已經成為國際天氣預報的主流發展趨勢，而我國的中期數值天氣預報系統尚未建立，已經成為制約預報能力提高的重要因素。
在這樣的背景下，一系列發展計劃出臺：中期數值天氣預報被列入「七五」國家重點科技攻關計劃，預報系統建設項目也通過了審批立項。
中國工程院院士李澤椿時任國家氣象中心主任，也是這一項目的主要負責人。建設中期數值天氣預報業務系統，是一場面向世界頂尖科學的挑戰。
在多名專家的論證下，一個龐大的設計方案漸漸成型：裝備高性能計算機、研發數值預報系統、引進並消化吸收先進技術路線……但這項工作面臨著諸多困難：中期預報系統要在巨型計算機上運行，現有的機器遠遠無法滿足需求。
不僅如此，進口機器的渠道也被限制，由美國、英國、法國、義大利、德國、日本等二十多個國家組成的巴黎統籌委員會，對社會主義國家實行禁運和貿易限制，不同意將機器賣給中國。為了解決燃眉之急，氣象部門採用「小馬拉大車」的辦法，將本應在巨型機上完成的研發工作，提前在現有的「M-360」中型計算機上進行。這臺機器經過擴體升級，首先完成科研攻關任務，實現中期數值天氣預報系統的準業務運行。
科研「搶跑」，計算機也要跟上，巨型機可以遲到，但不能缺席。
1988年3月，氣象部門作為第一個急需用戶，與國防科技大學籤訂了研製「銀河-Ⅱ」10億次巨型計算機的合同，一場緊張的技術攻關就此展開。
圖為1988年3月12日，「銀河-Ⅱ」巨型計算機系統合同籤字儀式。
第二章
中期預報的逆境中誕生的「銀河-Ⅱ」
研製巨型計算機，毫無疑問是一項複雜又困難的任務。而在當年特殊的歷史背景下，人們面臨的挑戰尤為嚴峻。當時，巨型計算機技術壟斷現象嚴重。掌握技術的少數發達國家，採用「一卡二衝」的策略限制其他國家發展。
「卡」就是拒絕出口高出對方技術水平的計算機，增加發展的難度；「衝」則尤為可怕，指當對方研發出某個檔次的計算機時，便放開限制大量出口低於這個檔次的計算機，以低廉的成本衝擊對方剛剛建立起來的技術基礎。
面對這樣困難的形勢，曾成功研製「銀河-Ⅰ」，實現我國高性能計算機零突破的國防科技大學再次承擔了重任。研製者們在國內首次採用50兆赫的工作頻率和4個高性能處理機並行處理結構。
在當初，這個結構可以說相當「大膽」——頻率上升意味著機型的結構要更為緊湊，布線不僅要短，而且要儘可能地少。
「銀河-Ⅰ」一塊電路板有7層，單面安裝百餘個器件，在當時已被認為到達了極限。而「銀河-Ⅱ」要求在一本雜誌大小的電路板上布數千條線、安裝數百個器件、製造14層電路板，難度可想而知。
當年「銀河-Ⅰ」的電路板圖，是抽調了近百名知青精心繪製而成的。但精細度進一步升級後，手工操作已經無法滿足「銀河-Ⅱ」的高要求。此時，中國計算機並行算法研究與應用創始人之一、時任「銀河-Ⅱ」應用軟體主任設計師的李曉梅應用她已經潛心研究10年的計算機輔助設計系統，繪製出了4萬多張精密圖紙，幫助渡過難關。
圖為「銀河-Ⅱ」巨型計算機「證件照」
而最值得一提的，無疑是氣象部門在「銀河-Ⅱ」研製過程中的全程參與。國家氣象中心作為用戶，全程參與其中，在研製機器的同時，便著手開發中期數值天氣預報系統。
這種「同步進行法」，使這一巨型機系統問世後，很快就在國家氣象中心正式投入運行。而在常規情況下，從計算機研製成功到應用軟體投入運行，這中間還有很長的路要走。
第三章
氣象超算與數值預報共同進步
1992年11月18日，中國自主研發的「銀河-Ⅱ」巨型計算機誕生。同日，中期數值天氣預報業務系統作為首個應用試算成功，登上歷史舞臺。
一個計算能力強，一個對算力需求高，兩者可謂天作之合。
圖為1993年10月，中國首臺「銀河-Ⅱ」巨型計算機中期數值預報新業務系統運行慶典
以1992年的「銀河-Ⅱ」為界，在那之後，氣象部門引入高性能計算機的腳步從未停止，CRAY C92、IBM SP、 神威 -1、IBM Cluster1600、神威4000A、IBM Flex System P460，無論是計算能力，還是存儲容量，都不斷升級。
與此同時，我國的全球和區域數值模式研發不斷取得突破。如今，GRAPES全球數值預報系統平均可用時效達到7.3天，GRAPES區域數值預報系統水平解析度由15公裡提高至10公裡。
氣候預測能力也進一步提高：BCC_CSM全球高解析度氣候系統模式進一步改進完善，東亞地區氣候預測、氣候變化模擬和預估能力提高。
第四章
國產「超算」挑起氣象服務大梁
2019年初，首臺應用國產衛星數據、運行國產模式的氣象高性能計算機系統「派·曙光」投入業務運行，一顆嶄新的「最強大腦」加入了氣象事業。
國產高性能計算機系統「派·曙光」概念圖。
它不但具有國際前列水平的計算能力，也配有靈活高效的調度指揮系統，在網絡速度、冷卻技術、綠色節能等方面均取得了長足進步。
移植到「派·曙光」上運行的GRAPES、BCC_CSM等各個數值模式，效率明顯提高。「派·曙光」已經具備了挑起氣象業務科研「大梁」的實力。
不僅如此，「派·曙光」還兼顧未來進一步發展，設有一臺小規模試驗子系統計算機，支持 GPU/眾核環境下氣象模式的研發與試驗。
如今，我國的天氣預報準確率與超級計算機的計算能力，已經達到了當年難以想像的高度。中期天氣數值預報系統在「銀河-Ⅱ」上的亮相，是技術進步徵程上一座光輝燦爛的裡程碑，令人永遠難忘。