《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。
中圖分類號：TP319 文獻標(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)報中試系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)實現(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)報業(yè)務(wù)是為國家經(jīng)濟發(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)報模式的研發(fā)是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的重要支撐[1]。數(shù)值預(yù)報模式是一種典型的大積分計算量、海量數(shù)據(jù)處理的科學(xué)計算程序，具有多步任務(wù)運算、數(shù)據(jù)管理復(fù)雜、串并行混合等特點，一般運行于超大規(guī)模高性能計算系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)之上。當(dāng)前，中國氣象局國家級數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)體系[2]基于中國氣象局 “派-曙光”高性能計算機系統(tǒng)業(yè)務(wù)運行和研究開發(fā)[3]。隨著E級計算[4]和后摩爾時代的發(fā)展，高性能計算機的系統(tǒng)架構(gòu)、軟件生態(tài)、編程方式均將發(fā)生變化[5-6]，高性能計算資源的使用門檻將進一步提高。隨著氣象科學(xué)進入地球系統(tǒng)時代[7]，全球數(shù)值預(yù)報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)報模式發(fā)展，更高分辨率海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用將進一步提升模式研發(fā)試驗的復(fù)雜度。

研發(fā)試驗是改進數(shù)值預(yù)報模式的主要手段，通常過程需要構(gòu)建試驗的復(fù)雜運行流程與參數(shù)化方案，調(diào)用海量多圈層的觀測數(shù)據(jù)、背景場[9]數(shù)據(jù)驅(qū)動，進行高效率的大規(guī)模并行計算，最后對試驗結(jié)果進行應(yīng)用檢驗評估[10-11]，并反饋修正模式。此前，數(shù)值預(yù)報模式試驗主要在命令行環(huán)境下，采用手工編寫批處理腳本來編排、運行和檢驗試驗?？茖W(xué)家開展研發(fā)試驗不便捷，手工準(zhǔn)備、編排一次試驗耗時很長；科學(xué)家需要了解多個復(fù)雜IT系統(tǒng)的環(huán)境細節(jié)，精力無法聚焦于試驗科學(xué)性本身，批處理式試驗全程不可見，運行調(diào)試周期長，錯誤無法及時發(fā)現(xiàn)處理，整體效率低。并且缺乏試驗的管理，歷史試驗的復(fù)現(xiàn)研究不便，無法便捷充分地比對共享試驗方案和效果。國際主要氣象機構(gòu)歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報中心（ECMWF）、美國國家航空航天局(NASA)和英國國家大氣科學(xué)中心（NCAS）均建立了面向氣象應(yīng)用的數(shù)值預(yù)報模式試驗平臺，用于簡化科學(xué)家的研究過程。如ECMWF的PrepIFS[12]，是開放支撐歐盟成員國研究人員開展IFS模式應(yīng)用研究的一體化數(shù)值模擬試驗工具，提供可視化客戶端，實現(xiàn)在ECMWF的超算上構(gòu)建、計算、監(jiān)控和管理IFS模式試驗，但在試驗結(jié)果分析和試驗結(jié)果比較方面尚需要研究人員人工進行；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、運行、監(jiān)控和管理復(fù)雜模式試驗，提供客戶端交互界面，支撐相似試驗工作流的比較，但NED僅支持在預(yù)定義或已運行的歷史試驗工作流基礎(chǔ)上運行或修改參數(shù)后運行試驗，限定性高；NCAS在英國氣象局的數(shù)值模式 Unified Model (UM)研究中使用RoseCylc[14]工具構(gòu)建和管理試驗，Rose是可視化客戶端，提供試驗預(yù)定義Cylc工作流[15]的修改編輯、調(diào)度、運行和監(jiān)控，該工具支持模式研究試驗工作流的構(gòu)建和提交運行監(jiān)控，但不支持試驗的分析、比較和管理。

2021年，中國氣象局成立了地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心，聚力發(fā)展地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。國務(wù)院《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022—2035年）》要求加強地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報核心技術(shù)攻關(guān)，發(fā)展自主可控的地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報模式。面向國家發(fā)展戰(zhàn)略，為了高效地支撐數(shù)值預(yù)報模式的研發(fā)，針對科學(xué)家開展數(shù)值模式研發(fā)試驗的困境，尤其是試驗不便捷、效率低、周期長和無法共享等問題，本文設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)值預(yù)報中試系統(tǒng)，采用可視化交互界面，集成了開展數(shù)值預(yù)報模式試驗所需交互的全流程環(huán)節(jié)以屏蔽底層細節(jié)，應(yīng)用工作流技術(shù)實現(xiàn)了試驗復(fù)雜工作流的構(gòu)建、調(diào)度運行和監(jiān)控，運用分布式存儲和RDBMS等技術(shù)建立試驗管理體系，支持試驗的管理、比較、共享。開創(chuàng)性地為科學(xué)家提供了界面交互的“建模-計算-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)報模式研發(fā)中，具備良好的易用性和擴展性。

本文闡述了系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)實現(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.國家氣象信息中心，北京 100081；2.中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心，北京 100081；
3.災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081）


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