数值天气预报（NWP）刀片解决方案

1.1.4. AREMS模式

为了适应当前气象业务发展的需求，中国气象科学研究院武汉暴雨研究所和中国科学院大气物理研究所以REM模式（也称ETA模式）作为基础框架之一发展了AREMS中尺度暴雨数值预报模式系统。该模式在淮河流域、长江流域暴雨预报试验中，使用效果良好。

AREMS的动力框架采用了曾庆存设计的唯一能构造出完全能量守恒时空差分格式的数学模型，具有很好的计算稳定性。模式采用η坐标，能较好地考虑真实地形（陡峭地形）的作用。对水汽平流方程采用简单而有效的保形正定平流差分方案，并解决了在E网格中的应用问题，避免了大多数模式中常出现的负水汽现象或平滑耗散过强过程现象保证了模式对降雨范围、降水强度、暴雨中心位置以及雨带的移动有较好的预报能力。变量在网格上的分布形式采用了跳点网格方式，跳点网格可以提高水平分辨率，减少计算量，是一种较经济的变量分布格式。垂直方向分35层，水平分辨率为37 km。模式在资料前处理上运用三维变分方法进行资料同化。边界条件每6 h替换一次，在一定程度上能解决固定边界条件带来的弊端。

AREMS综合考虑了国内外数值模式中复杂地形的处理方法，从而较适合于我国的地形特点，针对水汽过程的重要性和复杂性，建立了特有的水汽传输和显式云雨方案；为了保证模式的运行效率、精度和稳定度，设计了独特的E网格“半格距差分”方案。

今年江淮流域汛情异常严峻，而中尺度暴雨数值预报模式系统AREMS对该流域多次暴雨过程做了较为准确的预报，为流域的防洪抗灾决策与服务提供了重要的依据。汛期业务试验证明，AREMS模式对江淮流域暴雨过程的预报情况较好，对雨带的位置、走向和移动趋势做出了较好的预报，对暴雨中心的位置、强度预报也与实况较为一致，特别是12～36小时时效的大暴雨预报，TS评分明显高于其它模式。

2.高性能计算机解决方案

2.1.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（MM5、WRF、GRAPES和AREMS）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（一般不超过2小时）。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。预报精度提高一倍，其所需计算量将提高16倍。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既支持MPI消息传递并行，又支持OpenMP共享存储并行，也支持MPI+OpenMP的混合运行模式。
GRAPES只支持MPI并行模式，AREMS也完成了MPI并行化工作。

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之间的通讯量很大，模式对通讯的性能要求非常高。如MM5、WRF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。一般每天在固定的2-4个时段运行，每个时段2小时内运行完。这些作业每天在相同时刻运行，必须保证这些模式可以按时计算完毕。

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生成产品等，前/后处理一般对计算机要求不是太高。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非常高。

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RIP4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

下面是曙光公司提供的针对不同的气象部门提供的整体解决方案。

2.2.小规模刀片解决方案

小规模解决方案主要应用于地市级气象预报部门，解决一个地市48小时以内的短期天气预报，格局一般在12－18公里左右。这个解决方案也可用于小型环保部门或气象科研部分。

小规模系统结构图：