曙光中尺度数值气象预报系统解决方案

    ZDNetChina服务器站 x86服务器案例  气象信息是涉及国计民生的重要基础资源，已广泛深入到人类活动的各个方面。国家在经济、社会、环境、外交、国家安全、可持续发展的各个领域，都需要气象工作提供可靠的保障。目前气象预报已从传统的建立在天气气候定性理论、数值统计与预报员经验基础上的半经验半理论的定性方法，发展到以大气科学理论为基础，综合运用科技最新成就，在高性能计算机平台上完成的现代气象数值预报。

    我国在20世纪80年代末到90年代初，建立起正式的数值预报业务，目前数值预报已经成为各种业务天气预报的最重要的基础和持续提高业务天气预报准确率的根本途径。

中尺度气象预报模式

    中尺度气象是现代气象科学中发展迅速的一个重要分支，它所研究的大气中尺度运动，关系到区域重要灾害性天气的生消和发。它一方面应用卫星、雷达、风廓线仪和自动观测站等一系列新的探测工具，通过中尺度野外试验，揭示中尺度观测事实；另一方面通过中尺度数值模式，对中尺度天气过程进行深入的模拟研究和预报试验。随着近年来计算机技术的迅速发展，中尺度数值模式已日趋成熟，成为中尺度气象的一个重要的研究和应用手段。

    中尺度数值气象预报模式有许多，其中MM5是目前国内外应用最为广泛的模式，被广泛的应用于国内外各气象部门和相关机构。WRF模式是在MM5模式上发展起来的新一代中尺度模式，它将逐渐的替换MM5模式。GRAPES模式是中国气象局自主开发的新一代数值预报系统，它是中小尺度与大尺度通用的先进数值预报系统，目前国内很多气象部门已经在对GRAPES进行研究和应用。

高性能计算机解决方案

中尺度气象预报模式的特点和对环境的要求

一、计算量巨大

    中尺度气象预报模式有着惊人的计算量，同时由于气象预报的特点决定了其极高的实时性，要求模式必须在指定的时间内完成运算。另一方面，人们对气象预报的精度提出了越来越高的要求，目前预报精度从几百公里、几十公里提高到几公里，而这大幅度提高了模式的计算量。数值气象预报对计算的这一需求，靠单个CPU或普通的计算机根本不可能完成，必须利用并行计算。一方面，将模式预报软件通过消息传递或者共享存储的方式并行化，另一方面需要高性能并行计算机。目前绝大部分中尺度气象预报模式都已经完成了并行化，如MM5、WRF、Grapes既支持MPI消息传递并行，又支持OpenMP共享存储并行。

二、通讯极为密集

    由于模式都是并行软件，同时一般都采用有限差分格点模式并行计算，所以运行中尺度气象预报模式时，各个CPU之间的通讯量非常惊人，且模式对通讯的性能要求非常之高。如MM5的通讯既包括母域和嵌套域之间的域间通讯，又有各个域内部不同数据划分之间的通讯。所以这就要求高性能计算机有高性能的通讯网络。

三、实时性强、定时运行

    气象预报本身的特点决定了其要求很强的实时性。同时，预报系统要求定时定点自动运行，无需人工干预。

四、主模式是计算量之所在

    从软件的处理流程上看，一般分为前处理、主模式和后处理。前处理包括资料的下载、数据同化等等，后处理主要是指图形化处理等，前/后处理一般对计算机要求不高。主模式是整个系统的主要部分，也是主要计算量所在，这个部分是对计算机性能要求极高。

    由于预报模式上述特点，它对计算环境有如下要求：

    1． 机群系统（Cluster）或者SMP系统或者NUMA系统，其具有较高的处理性能。
    2． 一定容量的存储空间，能存储一定时间的预报数据（如一个月）
    3． Linux或者Unix操作系统
    4． C和Fortran 77/90编译环境
    5． MPI和OpenMP并行环境
    6． NCARG图形库和图形显示系统，如MICAPS或GrADS或VIS5D或RIP等
    7． 保证系统能获取数据资料，如T213资料等

    对于特点的一些模式，它还有一些特点的要求。如WRF模式还要求Perl和NETCDF环境。

    对于构建一个中尺度气象预报系统，在选择基础硬件环境时，以下三点是非常重要的。

    1． 高性能，特别是浮点处理性能
    2． 高性能网络环境
    3． 系统的高稳定性