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气象天气的测量和预测是怎样进行的?为什么听到气象预测会用到超算,甚至要用云计算的方式进行大规…

不请自来啦~~~

答主学气象的,上大学的时候一到什么诗歌朗诵啊什么的,就肯定有一个词反复出现“观云测天识天气”。这其实就是对气象观测工作的一个比较有文艺范同时也很有代表性的词。回想起大学时候学的大气探测啊,仪器校验,天气现象识别啥,还是蛮有意思的!

气象观测的手段还是蛮多的,答主在这里就简单介绍一下:

1、 基本天气要素的观测:

这里当然就少不了最熟悉的观测站啦~~

气象天气的测量和预测是怎样进行的?为什么听到气象预测会用到超算,甚至要用云计算的方式进行大规...

上图就是一个观测站的照片喽,看似比较简单,但是里边的讲究还真不少,有非常多的仪器,测风的、测温的、测湿度的、测雨量的,有一些观测站还有一些更高级的设备,比如测量太阳辐照度的什么的设备。观测站里的设备,不同的站也有所不同,但是最基本的温、压、湿、风、降水量都是有的。这里顺便说一句,虽然观测天气要素的设备很多,但是没有一个可以自动识别“天气现象”的,目前的天气现象只能靠人工识别,因为很多时候天气现象比较复杂,不好辨认。中国气象局通过各种监测手段进行繁衍、配合人工观测进行订正和校验,才会给出比较客观的天气现象的相关内容。(目前市面上,所谓的天气软件和网站很多都在使用一些“三无”的天气现象数据,答主这里深深鄙视一下(呕吐状))

另外,除了这些观测场,身边还有很多“自动气象站”,是一些简易的“观测场”,里边的设备种类较少,一般只能观测温度、相对湿度、气压、风向风速、降水量之类的简单要素。虽然功能少,但是数量庞大,全国有几万个自动站,24*365小时地为我们观测着身边的天气状况,致我们无声的朋友!但是。。。可是。。。可但是。。。他们有时也不太靠谱,常常把气象工作人员搞的很无奈。

这里举个例子,具体是哪就不说啦,听朋友讲某地一个观测站常年降水量异常,总是下雨下雨下雨下雨,并且还是间断性的,很有规律,然后就派人去查看了一下,结果,那个自动站建在公园里了,旁边装了个自动喷洒浇灌的设备,每天定时开启,水喷过来直接进到雨量筒里了,就是为啥总下雨了!

喏,这个就是自动气象站喽!

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2、 高端观测方法:

(1)雷达:一说到雷达,脑子里就浮现出战争片的画面,兵哥坐在指挥中心盯着屏幕跟上级说:报告首长,XX公里外发现敌机XX架,我们基本可以GG了! (额。。。太入戏,我跑题了)。在观测天气的时候,也会用到雷达,但不是军用雷达,是天气雷达(多普勒雷达)。长这样:

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求你们,下次看到圆球的时候,千万别在把它再当成天文台的观测望远镜了啊,雷达宝宝心里苦!

多普勒雷达通过向大气中发射电磁脉冲,再接收反射回来的脉冲来判断空气中的反射率因子(翻译成普通话就是,判断空气中的水、其他物质含量,跟降水相关的就是水喽)数量和大小。当然,雷达不光能够测大气中有多少水,还可以测出很多东西来,比如径向速度呀、谱宽啊神马的。还有一些其他类型的雷达,比如测风雷达,可以测量大气中的风向风速。当然,我个人认为雷达最重要的用处还是对于降水的监测,尤其是一些强对流的放生发展,其他监测手段都没法观测如雷达那样稳准狠地把“强降水”这个顽皮的小朋友揪出来!

总之,多普勒雷达也是用来监测天气的重要手段之一。检测出来的效果长这样:

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(2)气象卫星:

卫星,另外一个重要的气象监测手段。感觉10年前卫星还是一个很高端大气上档次的东西,遥不可及,但是如今GPS、北斗、卫星电话、卫星电视等一系列与卫星相关的事物都已经走入千家万户了。卫星观测气象,其实已经存在了很久很久了,作为地球大气运动的“旁观者”,卫星对大气的观测拥有着“上帝视角”。

气象卫星携带着各种气象遥感装置,接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射,并将其转换成电信号传送给地面站。通过遥感的方式,卫星可以观测到的数据可真不少,云量、地面植被、卫星云导风、水汽含量、雪盖等,都是非常重要的气象要素。目前,我国使用的主要气象卫星数据都来自“风云”气象卫星,其中,风云一、二、三号均已上天,风云四号卫星正在研发中。

风云卫星长这样:(这一只是风云一号)

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3、 其他方法:

上述的气象观测方法,都是大家接触的比较多的气象观测方法。除了这些之外,还有一些其他的方法,比如飞机报:将气象探测设备安装在飞机上,飞机在运行中动态的地进行观测。

观测手段暂时就说这些吧,都是一些比较常见的方式方法,欢迎各位大神来补充呦!

下面来回答一下题主第二个问题,为什么要用超算,或者云计算来计算?

这里要稍微普及一下天气预报是怎么做出来的:气象预报人员首先要对目前正在发生的天气进行形势分析,分析高空+地面的形势,分析的过程还是蛮复杂的,要将理论和经验结合起来,对其所关注的位置进行未来天气的预判。另外,还要借助一个非常重要、有用的工具:“数值天气预报”,来进行参考。这个“数值天气预报”就是超级计算机计算出来的。

那么,什么叫做数值天气预报呢?从大家的回答中,可以看出行家还是蛮多的嘛,把大气的几个基本方程都放上来了,答主在这里给你们点个赞!嘿嘿!那我就用通俗易懂的方式来给大家解释一下啥叫数值天气预报:

大气运动并非无规律可言,无论是动力过程、热力过程、微物理过程、化学过程都是有规律可循的,科学家们把这些规律经过千百次的锤炼总结出来,并用数学公式的方式展现出来,也就是把大气建了一个数学模型,这个模型中都是数学方程。这样,我们就可以用数学的方法来模拟大气的运行了~ 当我们知道大气的现状,和“强迫”大气运动的相关条件的时候,通过数学模型,就可以模拟大气未来的运动轨迹:

气象天气的测量和预测是怎样进行的?为什么听到气象预测会用到超算,甚至要用云计算的方式进行大规...

就酱,数值预报就来喽!

那,这个为啥要用到超算嘞?看起来蛮简单的嘛!

是的,这看起来是蛮简单的,但是就这一个简单的事物,耗尽了几代气象人的青春。。。数值模式是一个非常非常复杂的东西:

首先,所有的方程都是偏微分方程,计算机最不好计算的方程。。。

其次,全部都是浮点数计算,计算机最不喜欢的数值类型。。。

再其次,格点化计算,如果单纯几个点计算一下未来的变化还好,但是一算就是成千上万个点,水平方向上N多点,垂直方向上还要分N层。其他答友也拿欧洲中心的集合数值预报做了例子,看看那是一个多么恐怖的数量级。

再再其次,计算时间步长限制,使用数值的方法进行模拟,并不是说,从今天一下子就能算到明天,而是经过一小段时间一小段地一点向前计算,每算一小段,都要把所有的格点都计算一遍。

再再再其次,预报的时效性问题,当我们使用计算机进行计算的时候,需要考虑到时效的问题,因为是预报,所以发出来的时间必须比真实时间要靠前。而巨大的计算量又非常耗时,所以需要非常大的计算资源。

再再再再其次,答主已经说不下去了,泪水沾湿了衣襟ಥ_ಥ

总结一下,之所以要用到超算,就是因为用数值的方式来模拟大气运动,计算量非常非常非常非常的大!给你们看一下欧洲中心的超算长啥样:

气象天气的测量和预测是怎样进行的?为什么听到气象预测会用到超算,甚至要用云计算的方式进行大规...

哈哈哈哈!有的朋友可能以为,超级计算机一定有个特别大的脸,老大老大了,其实并不是,它的身体很大,上图中,是超算的机柜,里边插着一个个“刀片”挂载着无数个硬盘、内存条、CPU,进行着高负荷地并行计算,从而来满足数值天气预报的超大计算量。

这里,顺便提一下云计算!在这方面,我了解的并不是很多,只是根据自己的所见所闻谈一谈见解,各位大神请别拍砖,说的不好请指正!现在的阿里云啊、腾讯云啊、百度云啊、亚马逊啊每天炒得热火朝天,感觉所有的跟互联网、跟计算有关系的东西都要用云计算,不用云计算就多么多么low。但是,答主并不这样认为。个人认为,云主机的特点并不是超强的计算能力,而是它的可延展性以及提供网络服务的便利性。应对现在网络环境的高并发量,云计算是最有利的手段,但是应对数值模拟的超大计算量,云计算并不好使!再好的虚机,也无法提供超算的稳定性和物理联通的数据交换速度。想想超算核心交换机动辄百万千万的价值,云主机就会黯然神伤了。所以,把数值模拟拿到云主机上玩玩也就算了,如果想用他们做预报,做业务的话,还是得上超算!还有一个原因,云主机,贵啊!(抠门脸)

好啦,就先说到这啦~希望能够解决题主的疑问!

欢迎各位大神提出宝贵建议,小弟先谢谢啦!(作揖)

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