《電子技術(shù)應(yīng)用》
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数值预报中试系统设计与关键技术实现
电子技术应用 2023年3期
赵春燕1，周斌2，3，胡江凯2，3，王彬2，3，孙婧1，赵滨2，3
（1.国家气象信息中心，北京 100081；2.中国气象局地球系统数值预报中心，北京 100081； 3.灾害天气国家重点实验室，北京 100081）
摘要： 气象数值预报模式是数值天气预报业务的重要基础，模式的研发改进需要在高性能计算环境中不断地开展模拟试验来检验评估预报效果。针对气象科学家手工编排批处理脚本开展数值模拟试验方式中存在的不便捷、耗时长、不可见、底层细节复杂、试验分析比对困难等问题，采用C/S架构，基于Python和工作流技术，设计实现了可视化界面交互“建模-计算-监控-分析-管理-共享”全流程集成应用的数值预报中试系统。应用结果表明，系统提升了模式研发试验效率和高性能计算机系统的易用性，在数值天气预报模式研发中试中发挥重要支撑作用，扩展性良好。
中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223096
中文引用格式： 趙春燕，周斌，胡江凱，等. 數(shù)值預(yù)報(bào)中試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(3)：106-113.
英文引用格式： Zhao Chunyan，Zhou Bin，Hu Jiangkai，et al. Design of test-bed system for meteorological numerical prediction model and key technology realization[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：106-113.
Design of test-bed system for meteorological numerical prediction model and key technology realization
Zhao Chunyan1，Zhou Bin2，3，Hu Jiangkai2，3，Wang Bin2，3，Sun Jing1，Zhao Bin2，3
(1.National Meteorological Information Centre，Beijing 100081， China；2.CMA Earth System Modeling and Prediction Centre， Beijing 100081，China；3.State Key Laboratory of Severe Weather， Beijing 100081，China)
Abstract： Meteorological forecast numerical model is an important basis of numerical weather forecasting. The research and development of meteorological numerical model needs to continuously carry out simulation experiments in high-performance computing to test and evaluate the prediction effect. Aiming at the problems of inconvenient, time-consuming, invisible, complex details,difficult to analysis during meteorological scientists manually compile batch processing scripts to carry out numerical simulation experiments, this paper develops an interactive visual model test-bed system based on Python and workflow technology with client-server architecture, which provides the construction, simulation, monitoring, analysis, management and sharing for model experiment. The application results show that, the system improves the efficiency of model research and development and the usability of high-performance computer system, plays an important supporting role in the test-bed of numerical weather forecast model, and has good scalability.
Key words : meteorological forecast numerical model；numerical forecast；test-bed；high performance computing；workflow；interactive

0　引言

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)是為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)和民生改善提供氣象服務(wù)的重要保障，而數(shù)值預(yù)報(bào)模式的研發(fā)是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要支撐[1]。數(shù)值預(yù)報(bào)模式是一種典型的大積分計(jì)算量、海量數(shù)據(jù)處理的科學(xué)計(jì)算程序，具有多步任務(wù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)管理復(fù)雜、串并行混合等特點(diǎn)，一般運(yùn)行于超大規(guī)模高性能計(jì)算系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)之上。當(dāng)前，中國(guó)氣象局國(guó)家級(jí)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系[2]基于中國(guó)氣象局 “派-曙光”高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行和研究開(kāi)發(fā)[3]。隨著E級(jí)計(jì)算[4]和后摩爾時(shí)代的發(fā)展，高性能計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)、軟件生態(tài)、編程方式均將發(fā)生變化[5-6]，高性能計(jì)算資源的使用門(mén)檻將進(jìn)一步提高。隨著氣象科學(xué)進(jìn)入地球系統(tǒng)時(shí)代[7]，全球數(shù)值預(yù)報(bào)正朝向基于地球系統(tǒng)科學(xué)框架下的多圈層耦合[8]地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展，更高分辨率海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用將進(jìn)一步提升模式研發(fā)試驗(yàn)的復(fù)雜度。

研發(fā)試驗(yàn)是改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的主要手段，通常過(guò)程需要構(gòu)建試驗(yàn)的復(fù)雜運(yùn)行流程與參數(shù)化方案，調(diào)用海量多圈層的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、背景場(chǎng)[9]數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行高效率的大規(guī)模并行計(jì)算，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)評(píng)估[10-11]，并反饋修正模式。此前，數(shù)值預(yù)報(bào)模式試驗(yàn)主要在命令行環(huán)境下，采用手工編寫(xiě)批處理腳本來(lái)編排、運(yùn)行和檢驗(yàn)試驗(yàn)?？茖W(xué)家開(kāi)展研發(fā)試驗(yàn)不便捷，手工準(zhǔn)備、編排一次試驗(yàn)耗時(shí)很長(zhǎng)；科學(xué)家需要了解多個(gè)復(fù)雜IT系統(tǒng)的環(huán)境細(xì)節(jié)，精力無(wú)法聚焦于試驗(yàn)科學(xué)性本身，批處理式試驗(yàn)全程不可見(jiàn)，運(yùn)行調(diào)試周期長(zhǎng)，錯(cuò)誤無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，整體效率低。并且缺乏試驗(yàn)的管理，歷史試驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)研究不便，無(wú)法便捷充分地比對(duì)共享試驗(yàn)方案和效果。國(guó)際主要?dú)庀髾C(jī)構(gòu)歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和英國(guó)國(guó)家大氣科學(xué)中心（NCAS）均建立了面向氣象應(yīng)用的數(shù)值預(yù)報(bào)模式試驗(yàn)平臺(tái)，用于簡(jiǎn)化科學(xué)家的研究過(guò)程。如ECMWF的PrepIFS[12]，是開(kāi)放支撐歐盟成員國(guó)研究人員開(kāi)展IFS模式應(yīng)用研究的一體化數(shù)值模擬試驗(yàn)工具，提供可視化客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)在ECMWF的超算上構(gòu)建、計(jì)算、監(jiān)控和管理IFS模式試驗(yàn)，但在試驗(yàn)結(jié)果分析和試驗(yàn)結(jié)果比較方面尚需要研究人員人工進(jìn)行；美NASA的NED[13]（NASA Experiment Designer），用于支撐NASA的科學(xué)家在超算上可視化的配置、運(yùn)行、監(jiān)控和管理復(fù)雜模式試驗(yàn)，提供客戶(hù)端交互界面，支撐相似試驗(yàn)工作流的比較，但NED僅支持在預(yù)定義或已運(yùn)行的歷史試驗(yàn)工作流基礎(chǔ)上運(yùn)行或修改參數(shù)后運(yùn)行試驗(yàn)，限定性高；NCAS在英國(guó)氣象局的數(shù)值模式 Unified Model (UM)研究中使用RoseCylc[14]工具構(gòu)建和管理試驗(yàn)，Rose是可視化客戶(hù)端，提供試驗(yàn)預(yù)定義Cylc工作流[15]的修改編輯、調(diào)度、運(yùn)行和監(jiān)控，該工具支持模式研究試驗(yàn)工作流的構(gòu)建和提交運(yùn)行監(jiān)控，但不支持試驗(yàn)的分析、比較和管理。

2021年，中國(guó)氣象局成立了地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心，聚力發(fā)展地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。國(guó)務(wù)院《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022—2035年）》要求加強(qiáng)地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)核心技術(shù)攻關(guān)，發(fā)展自主可控的地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式。面向國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，為了高效地支撐數(shù)值預(yù)報(bào)模式的研發(fā)，針對(duì)科學(xué)家開(kāi)展數(shù)值模式研發(fā)試驗(yàn)的困境，尤其是試驗(yàn)不便捷、效率低、周期長(zhǎng)和無(wú)法共享等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)值預(yù)報(bào)中試系統(tǒng)，采用可視化交互界面，集成了開(kāi)展數(shù)值預(yù)報(bào)模式試驗(yàn)所需交互的全流程環(huán)節(jié)以屏蔽底層細(xì)節(jié)，應(yīng)用工作流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)復(fù)雜工作流的構(gòu)建、調(diào)度運(yùn)行和監(jiān)控，運(yùn)用分布式存儲(chǔ)和RDBMS等技術(shù)建立試驗(yàn)管理體系，支持試驗(yàn)的管理、比較、共享。開(kāi)創(chuàng)性地為科學(xué)家提供了界面交互的“建模-計(jì)算-監(jiān)控-分析-管理-共享”的一站式全流程集成應(yīng)用，并已應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)中，具備良好的易用性和擴(kuò)展性。

本文闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)、性能及應(yīng)用效果，并討論下一步工作方向。



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作者信息：

趙春燕1，周斌2，3，胡江凱2，3，王彬2，3，孫婧1，趙濱2，3

（1.國(guó)家氣象信息中心，北京 100081；2.中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心，北京 100081；
3.災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）


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