数值预报与电子计算机

第二节　数值预报与电子计算机

从上面的介绍中，我们知道，数值天气预报工作，是离不开电子计算机的。正是电子计算机的发展，才使数值预报成为现实可行的事情。

数值预报中所使用的电子计算机是数字电子计算机。这是一个复杂的电子自动装置，能自动、快速、精确地计算复杂的数学问题。结构虽然复杂，原理还是比较简单的。大家熟悉的算盘是我国劳动人民创造的计算工具。下面以算盘为例来说明计算机的原理。

用算盘计算时有几个步骤：

例如计算　　　　

（1）把0．76打在算盘上，用0．42乘0．76，把结果抄在纸上；

（2）把0．14打在算盘上，用1．23乘0．14；

（3）把第一步的结果加到第二步所得的结果上；

（4）用0．86除第三步所得的结果，求出答数；

（5）把答数抄在纸上；

（6）计算结束。

在实际计算时，由于对算盘已经很熟练，所以打算盘时不必把上面这几步都写出来，但是在脑子里是考虑到这几个计算步骤的。

用电子计算机算题，同样要在计算之前考虑好计算的几个步骤，也就是安排好完整的计算顺序，把计算中所用到的数据和计算顺序都“交给”机器，开动后，机器就按我们安排好的顺序自动地、快速地从头到尾进行计算，不需要人一步一步地指挥，这就提高了计算的速度。

根据题目，由人事先安排好的计算顺序称为程序。编制程序的工作称为程序设计。程序中每一步（好比是对机器的一个命令）称为一条指令。

一般的电子计算机包括运算装置、存贮装置，控制装置、输入装置和输出装置。

运算装置是相当于算盘的部分，它能对数据进行加、减、乘、除等运算。

计算机要能连续自动地进行运算，它必须将人编好的程序和所用的原始数据和中间算得的结果保存起来，所以要有相当于纸的部分，这一部分称为存贮装置，存贮装置能把数据或指令送往运算器，也能接收和保存运算装置中送来的数据（如计算结果）。

计算过程要能自动连续地工作，计算机必须有相当于人在打算盘时指挥作用的部分，这部分就是控制装置。

接受外面信息（包括程序或数据）的，叫作输入装置，好比是人的眼睛，人眼可以看写在纸上的东西，而电子计算机目前一般只能接收穿孔纸带、穿孔卡片或者是磁带。现在我们常听到“硬件”、“软件”这两个名词。电子计算机的“硬件”是看得见、摸得着的东西。象接收纸带的光电机、卡片机等就是属于电子计算机的硬件设备。对在纸带、卡片上的信息，进行选择判断，而使有用的信息，以电子计算机可以辨认的形式存放于存贮装置中，这就要靠电子计算机的软件（也就是程序）来完成了。现代的电子计算机，都有某种软件设备，可直接接收各种形式的穿孔纸带。即使做到了这一步还是远远不够的，因为纸带、卡片或磁带的输入速度，实在太慢了。要用数值模式来做几天或者更长时间的预报，就要求有更均匀的全球性资料。虽然在世界许多地区已经建立了一个广大的常规观测系统，以探空和无线电测风为基础来收集从地面直到平流层下部的风、温度和水汽资料，但主要是限于陆地上，太平洋和大西洋地区的资料稀少，南半球几乎都是水面，测站更为稀少，热带地区除了西太平洋的海岛测站外，也几乎是空白，满足不了需要。然而1960年发射了极地轨道卫星，1966年起又有了地球同步卫星观测（相对于地面上的某一点为静止的），卫星的连续观测，加上飞机、水面飘浮站和船舶无线电测风等提供了丰富的资料，为提高天气预报的准确率创造了有利条件。但是这么多的资料必须在很短的时间内分析处理完，也带来了新的困难。我们知道气象信息的传递，是用电的信号来完成的；电子计算机进行处理和运算，也是用电的信号来实现的。电的传播是非常之快的，可是中间却夹杂一些机械动作，如纸带盘的转动，大大变慢了。现在新的发展是将通讯线路直接接至计算机，使电的信号直接输进机器，免除了中间的机械动作，这就大大提高了与时间赛跑的能力，使得大量资料能够迅速处理。单就资料处理来讲，现代的气象工作已经不能没有电子计算机。

电子计算机还必须将结果输出，这就是输出装置。最普通的输出设备是打印机，是将计算的结果（包括中间结果和电子计算机内存放的信息）打印在纸上，好像人工操作的打字机一样，它可以把计算结果直接打成各种表格和图形。还有自动绘图仪，是由电子计算机控制着笔尖，将计算结果直接在底图纸上画成图形。这些输出装置虽然都不需要人的干预，速度比人工快的多，但是终究还是一些机械动作，现在要输出的气象资料实在太多，机械动作显得太慢了。所以现代化的输出装置，是完全由电的讯息来控制，直接将图形显现在银幕上。