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《科学之光——计算改变世界》课程第五讲，由南京千亿体育登录大气科学学院的汤剑平教授主讲。汤教授首先向同学们介绍了大气科学的研究对象和研究内容，然后引出计算机在大气科学中的应用，具体介绍高性能计算如何应用于天气预报，并深入浅出地讲解了天气预报和气候研究中的具体方法和技术。紧接着，汤教授给大家介绍如今天气预测领域的前沿研究方向：大数据与机器学习应用于天气气候预报，给大家科普了AI for Science的概念，并介绍了相关领域内的工作，有助于同学们形成计算思维，更好将计算与自己所学专业相结合。

图1：本次课程主题

首先，汤老师向大家介绍大气科学的研究内容：天气预报、全球气候变化和大气环境污染，并从计算机的由来出发，讲解高性能计算和天气预报的历史渊源。汤老师通过联系高中地理向同学们介绍天气预报图的各个元素，分析环流图像。汤老师还展示了中央气象台天气预报制作过程，讲解如今的精细化数值预报流程，激发了同学们很大的兴趣。

紧接着，唐老师从社会热点问题——气候谈判、温室效应讲起，介绍高性能计算在气候预测中应用。通过IPCC 未来五年气候预估结果进行气候模式计算，2100年全球平均温度将会比如今高到4℃，这引发了同学们的对碳排放问题的思考。

图2：汤老师在向同学们授课

随后，汤老师具体介绍了数值模式计算的方法和流程，即通过物理-数学-计算机的方法求解位于离散的网格点的大气运动控制方程，利用并行计算方法同时计算大量网格，从而进行天气和气候预测。而大气运动具有不同的尺度，不同网格看到的特征不同，分辨率越高，反应特征越明显。如今短期天气预报可以达到1km的分辨率，而湍流尺度在米级左右，如果想要进一步提高预测准确度，则要以更高的分辨率来分析不同的尺度。根据汤老师的分析，分辨率每精细一倍，消耗算力要增加十倍，因此传统的模式计算的精确度受算力约束。

之后，在大家对天气气候预测的数值模式计算有了一定了解后，汤老师向大家介绍了如今大数据和机器学习在天气预测中的应用。近年来，机器学习迅速进入到气象预测中，可以直接利用大气观测数据和实际天气之间的相关性进行训练和学习，并直接用于气候预报中，本质是使用统计方法进行分析预测。紧接着，汤老师具体介绍了相关领域的文章，详细的讲解前沿的科研工作。

图3：汤老师向大家介绍如今计算和大气交叉的前沿领域

最后，汤老师还向大家简介了算力、大数据和AI迅速发展的时代下的科学研究方法，如今数据驱动科学和AI for Science逐渐成为热门方向，同学们应培养计算思维，在未来的学习与研究中灵活使用计算方法解决实际问题。