高性能计算在天气预报中的应用概述

张荣荣 彭含辛 冯 径
（ 解放军理工大学气象学院 南京２１０） １１１
Ａ ｓｒｃ Ｉ ｔｉ ｐｐｒｗ ｓｕ ｙ ｅ ｒｌ ｌ ｐ ｔ ｇ ｄｌ ｉ ｗｓｌ ｕｅ ｉ ｗ ａｈｒ ｅａｔ ｐｅｅｔ ｂｔａｔ ｈｓ ｅ ， ｅ ｄ ｔ ｐ ａ ｅ ｃｍ ｕｉ ｍｏｅ ｗ ｃ ｉ ｙ ｄ ｅｔｅ ｆｒｃｓ ａ ｒｓｎ ， ｎ ａ ｔ ｈ ａ ｌ ｏ ｎ ｈ ｈ ｅ ｓ ｎ ｏ ｔ
计在经度、 纬度和大气层方向上至少要取２０ ０ ０ ＊ １０ ＊ ０ ２＝４万个网格点。 前中期天气预报有的模式 ０ 目
需要６５ ３万个点， 内存需要几十 Ｇ字节 ， 总运算量达 ２Ｔ， ５ 并要求在不到２ 个小时内完成４小时的天气预 ８ 报。 当计算能力不足时， 只好降低结果的分辨率， 简 化方案 ， 从而就影响了预报的准确度。 提高数值天气 预报的条件之一就是要解决计算量大和计算时效问 题， 这就对计算模型和计算机的处理速度提出了很 高的要求。 目前， 全世界排名前１０ ０位的高性能计算 机中就有１台是用于气象研究的。 ８ 并行计算机在气 象领域的应用使我们跳出以前仅在工作站、 微机和 一般大型机上进行业务和研究的格局， 使工作模式 不是简化物理过程的模式， 而是可以逐步发展到采 用更逼近真实大气复杂物理过程的模式。
Ｓ Ｐ等等 。
的计算和数据存储处理能力提供给众多的用户使 用。 网格计算的 目的是结合高性能计算技术和网络 计算技术将高性能计算机的能力释放出去， 构造一 个公共的高性能处理和海量信息存储的计算基础设 施， 使各类用户和应用能够共享资源。
４２ 网格计算在天气预报中的应用 ． 一个网格计算环境能够达到目前最快的超级计
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计算机科学２０Ｖ １ １２１（ ０４ ｏ ３Ｎ． 增刊） ． ０
高性能计算在天气预报中的应用概述
Ｔ ｅ ｍ ｒｅ Ｈｇ Ｐｒ ｒ ａｃ Ｃ ｍ ｕｉ Ａ ｐｅ ｉ Ｗｅｔｅ Ｆ ｒ ａｔ ｈ Ｓ ｍ ａｚ ｏ ｉ ｅ ｏｍ ｎｅ ｐｔ ｇ ｌｄ ａｈｒ ｅ ｓ ｕ ｉ ｆ ｈ ｆ ｏ ｎ ｐ ｉ ｎ ｏｃ
ａｄ ｌ ｅ ｌ ｋ ｔ ｄ ｉ ａｃｍ ｕｉ ｍ ｄｌ Ａ ｌ ｔｗ ａａ ｚ ｔｅ ｓ ｉ ｙ Ｇ ｉ Ｃ ｍ ｕｉ ｕｅ ｉ ｎ ａａ ｚ ｔｅ ｏ ｒ ｉ ｎｌ ｐｔ ｇ ｅ ｔ ，ｅ ｌ ｅ ｆ ｉｌ ｏ ｒ ｏ ｐｔ ｇ ｄ ｎ ｙ ｈ ａ ｆ ｔ ｃ ａ ｏ ｏ ｎ ｏ ． ａ ｓ ｎ ｙ ｈ ｅ ｂｉ ｆ ｄ ａ ｔ ｎ ｓ ｎ
４ 网格计算在天气预报中的应用
４１ 网格计算 Biblioteka Baidu ． 网格计算是分布式计算的一种， 是伴随着互联 网而迅速发展起来的、 专门针对复杂科学计算的新
型计算模式。 它是一种造价低廉而数据处理能力超 强的计算模式。 网格就是一个集成的计算与资源环 境， 或者说是一个计算资源池， 网格能够充分吸纳各
种计算资源， 并将它们转化成一种随处可得的、 可靠 的、 标准的同时还是经济的计算能力。 它将网络上各 种大规模的计算资源综合起来， 为用户提供服务， 并 为解决大型计算提供了一种方案。 高性能计算机是网格计算环境结构的结点和重 要组成部分； 网格计算技术是高性能计算技术的发 展方向之一， 它并不替代超高性能计算机系统。 但是 未来的超高性能计算机系统必须支持网格计算环
理的。 如大气中的水平、 垂直运动， 各种非绝热物理 过程 ， 在一定程度上都可以看作是互相独立的。 由于 大气的水平尺度远远大于垂直尺度， 在数值模式的 设计中， 可以把大气的运动在水平和垂直方向适当
加以分解。
大气的水平结构尤其相对独立。 对于天气系统 的研究， 如气团、 雨带、 封面等都可以分块隔离式地 进行模拟。 还可以根据天气系统发生发展的扰动特 征， 分别按照超常波、 长波、 短波系统来研究天气现 象发生、 发展、 维持、 崩溃的机制。 对影响大气运动的 物理过程而言 ， 也可以单独计算某一物理过程。 大气 结构具有明显的垂直层结特征， 如热力学层结、 层流 和湍流特征等， 在垂直方 向上通常把大气分为边界 层、 中间层和热层等， 各层间有明显相连结， 构成多 层整体模式。 目前， 在世界各国大气数值模式中广泛采用的 数值方法有两种， 即有限差分法和谱方法， 相对应的 模式分别称为网格点模式（ 有限区域） 和谱模式（ 全 球） 由于它们的计算方法不同， 。 并行处理的方式也 不一样。 谱模式需要在球体上进行格点到谱模式空 间的转换， 所以每一个点都与全球所有的数据相关， 这样在分布式内存计算机上进行并行处理时就遇到 困难。 但是模式计算过程中各个阶段数据的相关性
陈国良． 并行计算一结构． 算法． 编程． 北京： 高等教育出版社，
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３ 传统计算模型所面临的问题
２０年北京奥运会， ０８ 给我国气象领域的科学计 算提出了新挑战。 奥委会规定， 奥运会承办城市的气 象预报网格精度要做到１ 公里， 目前我国的城市气 而 象预报网格精度一般为１公里 ， ５ 国家气象中心神威 Ｉ 上用于特殊气象服务的 ＭＭ５ 的网格精度最高也 只能达到５ 公里。 数值天气预报提高准确度有两种方 式： 提高分辨率和采用更逼近真实大气复杂物理过 程的模式， 而这两种方式都将会带来计算量的猛增。 随着计算网格密度的增加， 计算量也将成几何级数 增加， 据测算， 网格的密度提高一倍， 计算量要提高 １倍。 ６ 如果用现在１８ Ｃ Ｕ的系统来做这个计 ２个 Ｐ 算， 至少要１个小时， ０ 但这绝对是不允许的， 为达成 最多一个小时完成计算的目 那就需要５０ ００ 标， ０到１０ 个 Ｃ Ｕ组成的计算系统才能胜任。 Ｐ 如此规模的超 级计算机的处理能力虽然强大， 但它造价极高 。 由此 可见 ， 传统的计算模式己经不能满足人们的需要。
算机的几倍的计算能力， 对于对计算能力要求无上 限的天气预报来说， 网格计算有很好的发展前景。 理 想状态下， 我们可以通过 Ｗｅ 浏览器完成预报作业 ｂ 的加载， 再通过 Ｗｅ 浏览器接收计算的结果（ ｂ 结果 的形式可能很多， 比如具体数据、 图片、 动画等等） ， 对于究竟是哪些计算资源完成了对数据的处理 ， 用 户无需知晓。 大气运动的物理特征虽然是适合于并行处理 的， 但是并不是所有利用并行机处理的任务都可以 用网格进行替代。 由于并行机的紧祸合性， 它们之间 的通信开销是可以忽略不计的。 而网格计算所处的 计算环境是一个网络 ， 它就必须考虑到通信实效的 问题。 以目前的技术， 若想利用网格来实现实时性的 天气预报还是很困难的。 但是我们可以利用网格进 行一些对实效性要求 比较低的研究， 比如对环境的 检测和对灾害性天气的研究等等。 网格计算作为一项新兴的计算模式， 它还有很 多有待解决的问题， ： 例如 目前互联网的数据传输能 力不足的问题 ， 人机通信的问题 ， 网格上资源共享中 的知识产权问题 ， 还有如何保障网格计算的安全性 等等 。 而对于气象工作者来说 ， 关注的更多的是如何 减少通信的开销， 使得在并行机上运行的并行程序 能够在网格环境中同等效率的实现。 结束语 并行计算是处理海量天气预报数据的 有力武器， 但是相对于串行程序设计， 并行程序设计 是建立在不同计算机模型上的， 并行程序设计工具 依赖于具体的并行结构和计算机代的更迭， 既不通 用也不稳定， 而且很难移植， 这些都是并行程序设计 需要解决的问题。 网格计算作为一门新兴的技术， 为 我们提供了解决计算能力不足的一种新方法。 如果 将网格计算和并行计算较好地结合在一起， 充分利 用互联网上庞大的计算资源， 便能提高天气预报的 准确度， 提高对灾害性天气的短期预报和特殊气象 保障服务的能力。 参 考 文 献
是不同的， 即在格点计算、 傅立叶变换、ｅｅｄｅ Ｌｇｎｒ 变 换和谱计算的各阶段中， 其数据相关有一定规律， 在
各个阶段内将有关的数据放在同一处理机上， 不需
２ 并行计算在天气预报中的应用
并行计算给气象模拟与预报技术的发展带来了
极好的机遇。 大气运动的物理特征是适合于并行处
要通信； 而阶段之间数据需要在各个节点之间重新 分配。 这种分配事实上是矩阵的转置过程， 也称为转 置并行法。 另外， 模式通过采用不规则分区， 重新排
列谱系数等技术方法解决负载均衡问题。 差分格点模式采用了区域分解方法实现并行
张荣荣 硕士生， 主要研究方向为信息系统中软件开发和使用的工程化管理方法． 彭含辛 硕士生， 主要研究方向为信息系统与集成． 径 冯
副教授， 硕士生导师， 主要研究方向为计算机网络．
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化， 即将预报区划分成多个子区域， 每一个节点负责 一个子区域的计算 ， 在子区域之间和多重嵌套区域 之间的相互联系用消息传递的方法实现。 以神威集合数值天气预报系统为例， 它是以神 威巨型计算机为开发平台， 每个样本做十天模式预 报且按每隔１小时输出一次结果。 ２ 神威巨型机属于 可伸缩的大规模并行处理系统， 通常称之为 ＭＰ Ｐ 机。 在神威机上， 在解决科学计算和工程应用课题 时， 采用的并行方式通常有两类： 功能并行和数据并 行。 除此之外， 目前应用在气象领域的并行机群有 Ｃ ｒ Ｃ ２ ＩＭ Ｐ ， ａｙ ， Ｓ ２ 曙光 １０Ａ， 河一 Ｉ ＩＭ ９ Ｂ ００ 银 Ｉ Ｅ， Ｉ Ｂ
Ｉ 引言
随着我国经济的发展和社会文明的进步 ， 人们 对天气预报的要求已不满足于一般性描述的传统天 气预报， 特别是对灾害性天气的短期预报能力和特 殊气象保障服务提出了更高的要求。 大气科学本质 上是实验性科学， 由于无法建造“ 真实大气实验室” ， 只能以“ 模式大气” 替代“ 真实大气”因此数值模式 ， 就成为了大气科学的重要试验手段 。 由于模式方程组是非线性的偏微分方程组 ， 目 前还没有普遍的解析求解方法， 因此必须将模式方 程组离散化， 然后采用相应的数值方法进行求解。 在 作数值预报时， 要提高全球气象预报的准确性， 据估
ｗｅ ｔ ｅ ｆｒｃ ｓ ｉ ｔ ｅ ｔ ｒ ． ａｈ ｒ ｅ ａ ｔ ｈ ｆ ｕ ｅ ｏ ｎ ｕ
Ｋ ｙ ｏｄ Ｈｇ ｐｒ ｒ ａｃ ｃｍ ｕｉ ， ｌｌ ｐｔ ｇＧ ｉ， ｔｅ ｆ ｅ ｓ ｅｗ ｒｓ ｉ ｅｆ ｍ ｎｅ ｐｔ ｇＰｒ ｌ ｃｍ ｕｉ ， Ｗｅ ｈｒ ｃ ｔ ｈ ｏ ｏ ｎ ａａｅ ｏ ｎ ｒ ｄ ａ ｏ ａ ｒ
境， 能够很容易地融入到网格计算环境中， 将其强大
周毅， 刘宇迪， 桂祁军， 李听东． 现代数值天气预报． 北京： 气象出 版社．０２ ２０ 宋君强， 张卫民， 朱小谦， 常国刚， 方慈安． 基于网管的中尺度数值 天气预报系统设计． 计算机研究与发展， ０， （）９８ ６ ２ ２３ ８： ＾９９ ０ ９ ６