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(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)報業(yè)務(wù)是為國家經(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(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(jī)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)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(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(jìn)一步提升模式研發(fā)試驗的復(fù)雜度。
研發(fā)試驗是改進(jìn)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(yùn)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(jìn)行高效率的大規(guī)模并行計算，最后對試驗結(jié)果進(jìn)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(yùn)行和檢驗試驗。科學(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(xì)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(yùn)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?dú)庀髾C(jī)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(shí)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(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，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(yùn)行的歷史試驗工作流基礎(chǔ)上運(yùn)行或修改參數(shù)后運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)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(shí)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(xì)節(jié)，應(yīng)用工作流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了試驗復(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(kuò)展性。
本文闡述了系統(tǒng)設(shè)計及關(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(diǎn)實(shí)驗室，北京 100081）
