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.
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，采用手工編寫批處理腳本來編排、運(yùn)行和檢驗(yàn)試驗(yàn)。科學(xué)家開展研發(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，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)家的研究過程。如ECMWF的PrepIFS[12]，是開放支撐歐盟成員國(guó)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(yàn)工具，提供可視化客戶端，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）
