气象场景
场景描述
一直以来，气象对高性能计算机的要求非常高。气象预报需要把很多因素都用数值预报来标示，这导致气象预报有着惊人的计算量。事实上，气象预报一直沿用了统计预报、天气学方法和数值天气预报（Numerical Weather Prediction，NWP）三种方法。其中，统计预报基于多年积累下来的气象观测数据进行统计分析，然后做出预报，一般用于中长期（10天以上）的预报，准确性较差；而中期（3~10天）、短期（12小时~3天）以及短时（12小时以内）的天气预报主要采用天气学方法和数值天气预报方法，特别是数值天气预报，已经成为提高气象预报准确性最为倚重的手段。气象预报模式及应用详情如表1所示。
中尺度天气预报模式 |
模式介绍 |
应用情况 |
|---|---|---|
MM5模式 |
中尺度气象预报MM5模式是由美国国家大气研究中心（NCAR）和宾夕法尼亚州立大学联合开发的第5代中尺度天气预报模式。 |
MM5是用于气象预报模拟的中小尺度非静力动力气象模式，它是目前气象领域中使用最为广泛的中尺度预报模式。MM5的最新版本是MM5V3，其研发工作已经停止，继而转向WRF模式。 |
WRF模式 |
WRF模式是在MM5模式上发展起来的新一代中尺度模式，是Weather Research Forecasting model的简称。WRF模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。 |
WRF模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等诸多特性，应用广泛，WRF模式作为一个公共模式，由NCAR负责维护和技术支持，免费对外发布。 |
GRAPES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。其全名是全球/区域同化预报系统，GRAPES英文全称Global/Regional Assimilation and Prediction System。同时grapes又是“葡萄”的英文，所以“GRAPES模式”又被称为“葡萄模式”。 |
GRAPES的长期目标则是持续性地研究开发面向21世纪的我国数值预报系统，不断改进和提高数值预报准确率，为中国气象局的天气-气候预报服务水平的不断提高给予科学理论和技术支撑，以满足国家经济建设和社会发展对气象服务不断增长的需求。 |
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。 |
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。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。 |
业务挑战
- 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，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共享存储内存并行，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。
- 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。所以这就要求计算机有高性能的通讯网络。
- 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。
- 主模式在于计算量
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，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。