摘要：本文針對數(shù)值天氣預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求，對網(wǎng)格計算環(huán)境下的數(shù)值天氣預報工作流系統(tǒng)進行研究，利用計算機技術(shù)為氣象預報工作提供支持。
　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)格；氣象預報；分析
　　20世紀80年代傳統(tǒng)的天氣預報已被數(shù)值天氣預報（NWP）取代。數(shù)值天氣預報采用超大規(guī)模計算機將收集到的最新氣象資料進行處理，采用合理的數(shù)值模型進行計算，得到未來天氣的預報結(jié)果。數(shù)值天氣預報要比人的經(jīng)驗預報準確率高得多，尤其對于轉(zhuǎn)折性的天氣變化，因此開展數(shù)值天氣預報是各個國家氣象發(fā)展的重點。
　　1.數(shù)值氣象預報系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析
　　數(shù)值預報是當代天氣預報的一個主要工具，發(fā)展數(shù)值預報技術(shù)是提高天氣預報業(yè)務(wù)水平的關(guān)鍵。數(shù)值天氣預報已成為制作氣象預報產(chǎn)品不可缺少的基礎(chǔ)和手段。然而，在數(shù)值預報的模擬研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用的實踐中，單一的確定性數(shù)值預報水平的提高越來越困難，尤其是對一些局部地區(qū)發(fā)生的突發(fā)性、轉(zhuǎn)折性天氣過程的預報結(jié)果往往失敗。而且單一的確定性數(shù)值預報結(jié)果也很不穩(wěn)定,這些現(xiàn)象對數(shù)值天氣預報的發(fā)展提出了嚴峻的考驗。
　　集合預報技術(shù)作為一種新興的數(shù)值天氣預報技術(shù)，針對數(shù)值預報的誤差來源，采用合理的擾動原理和擾動方法，構(gòu)造能沿著模式大氣相空間最不穩(wěn)定的方向快速增長的擾動場和集合預報成員，大大提高了人們對暴雨等災(zāi)害性、轉(zhuǎn)折性、突發(fā)性、局地性天氣過程的認識和預報能力。集合預報技術(shù)作為當前高影響天氣事件（熱帶氣旋、暴雨等）的最佳預報技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)值天氣預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，歐洲中期天氣預報中心的60％以上的產(chǎn)品是集合預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)制作的，同時集合預報也是WMOTHORPEX計劃的重要研究內(nèi)容。其核心計算是要對一組初值場擾動樣本采用傳統(tǒng)的確定性數(shù)值模式進行預報，然后對預報結(jié)果進行統(tǒng)計從而得到概率預報產(chǎn)品。完整的集合預報流程包括擾動值生成、多個模式預報、后處理、產(chǎn)品生成、可視化等多個處理過程。集合預報往往需要數(shù)萬億次以上的計算資源，未來超級集合預報的業(yè)務(wù)運行將提出百萬億次甚至千萬億次計算能力的需求，這些需求對于某個計算中心的計算能力一般很難有效滿足。針對集合預報流程中的某些計算過程可以相互獨立的特點，可以采用分布處理的方式來組織計算，充分利用國內(nèi)的各種計算資源，在網(wǎng)格環(huán)境下通過有效的組織來運行集合預報業(yè)務(wù)。
　　針對傳統(tǒng)的數(shù)值天氣預報業(yè)務(wù)的腳本組織方式的不足，網(wǎng)格工作流技術(shù)可以有效解決網(wǎng)格環(huán)境下運行氣象集合預報業(yè)務(wù)過程面臨的問題。氣象集合預報業(yè)務(wù)流程是一個復雜的科學實驗過程，它包括一系列密集型計算，同時伴有大量的數(shù)據(jù)生成和遷移。而網(wǎng)格工作流一般被用來描述復雜的科學實驗過程，在準確反映科學實驗過程的基礎(chǔ)上，它更加注重對數(shù)據(jù)流的管理、流程的優(yōu)化執(zhí)行以及對流程涉及到的各種網(wǎng)格資源的優(yōu)化調(diào)度。
　　2.數(shù)值氣象預報系統(tǒng)對網(wǎng)格應(yīng)用的需求
　　2.1數(shù)值天氣預報的局限性
　　數(shù)值天氣預報是一門綜合性應(yīng)用科學，其發(fā)展取決于大氣科學(包括氣象學、大氣物理)、計算數(shù)學與計算機技術(shù)、空基與地基遙感技術(shù)以及地球科學的其他領(lǐng)域等學科的進步和發(fā)展。數(shù)值天氣預報服務(wù)是利用分布在全球各地的各種物理設(shè)備進行氣象數(shù)據(jù)資料的收集，這些數(shù)據(jù)資料包括衛(wèi)星資料、常規(guī)資料、飛機、海洋資料以及下墊面資料等，并運用分布在網(wǎng)格上的各個組織的高性能計算資源對這些資料進行加工和處理，最終通過氣象預報應(yīng)用軟件得到天氣預報產(chǎn)品的過程。一個完整的天氣預報過程包括資料收集，資料前處理和質(zhì)量檢查，變分同化，模式預報，后處理以及產(chǎn)品可視化等過程。它是一門需要海量計算的科學，一直是HPC平臺的重要應(yīng)用領(lǐng)域，當前國內(nèi)建立的數(shù)值天氣預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)多運行在銀河、IBM等巨型計算機或其它集群系統(tǒng)上。
　　（1）數(shù)值氣象應(yīng)用越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)值氣象應(yīng)用的復雜度超出以往任何時期，而且將越來越復雜。
　　（2）數(shù)值氣象應(yīng)用環(huán)境的地理分布性、應(yīng)用平臺的異構(gòu)性給應(yīng)用開發(fā)、部署帶來很大困難。全國性、全行業(yè)性應(yīng)用；新老應(yīng)用混雜；異構(gòu)平臺不可能統(tǒng)一；應(yīng)用和應(yīng)用依托的平臺的動態(tài)變化。
　　（3）沒有新的技術(shù)支持，數(shù)值氣象應(yīng)用的復雜性將超過人的控制能力，制約應(yīng)用發(fā)展。
　　（4）數(shù)值氣象應(yīng)用需要有良好的平臺的支持。應(yīng)該有一層軟件，使得應(yīng)用看到的是統(tǒng)一的服務(wù)，徹底從物理細節(jié)和異構(gòu)系統(tǒng)細節(jié)解脫出來。
　　2.2網(wǎng)格計算在數(shù)值氣象集合預報中的作用
　　（1）隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，大量以計算機系統(tǒng)為主導的計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源和儀器設(shè)備資源等在互聯(lián)網(wǎng)上逐步形成，同時更大規(guī)模科學計算應(yīng)用（如集合氣象預報）的出現(xiàn)對計算能力提出了更高的要求。對于這些應(yīng)用，單一的巨型機或集群系統(tǒng)無法提供足夠的計算能力和數(shù)據(jù)資源，于是網(wǎng)格計算應(yīng)運而生。網(wǎng)格通過將大范圍地理分布的異構(gòu)計算機系統(tǒng)和資源整合在一起形成一個大規(guī)模的計算平臺，用戶可以將這個計算平臺視為一個“超級計算機”，只需要接入這個計算平臺即可使用所有的資源和服務(wù)。由于網(wǎng)格聚集各類高性能計算資源、存儲資源、儀器資源，因此它能夠處理以前一臺高性能計算機無法解決或者不容易解決的大規(guī)模科學計算、大規(guī)模信息處理等。
　　（2）網(wǎng)格提供這樣一層抽象。網(wǎng)格工作流是數(shù)值氣象預報系統(tǒng)中一個很重要的部分。它主要完成數(shù)值氣象預報系統(tǒng)的流程編排、自動將流程中的各計算步部署到各網(wǎng)格結(jié)點上啟動執(zhí)行的功能。
　　3.基于網(wǎng)格的數(shù)值氣象預報流程特點
　　（1）提供圖形化的網(wǎng)格業(yè)務(wù)流程編輯工具
　　用戶只需使用該編輯工具，就能夠簡便地完成對其業(yè)務(wù)流程進行編排。
　　（2）提供穩(wěn)定可靠的工作流引擎
　　網(wǎng)格工作流的核心就是工作流引擎，它是定義、創(chuàng)建、執(zhí)行工作流的軟件組元，首先負責接收由用戶編輯的業(yè)務(wù)流程，并對其進行解釋，而后就可以對用戶編輯的業(yè)務(wù)流程定義進行編排，生成多個工作流實例，工作流實例再從眾多服務(wù)中選擇可用、用戶權(quán)限可允許的服務(wù)，然后調(diào)用具體的服務(wù)實例執(zhí)行工作流程中的執(zhí)行步。
　　（3）提供業(yè)務(wù)流程運行過程中的實時監(jiān)控工具
　　對工作流程的執(zhí)行過程進行監(jiān)控，以圖形化的形式反饋給用戶，以讓用戶了解業(yè)務(wù)工作流程的具體執(zhí)行情況。在網(wǎng)格工作流生命周期中，其中網(wǎng)格工作流實例生成階段、網(wǎng)格工作流執(zhí)行階段、監(jiān)控階段的監(jiān)控信息收集都是由網(wǎng)格工作流引擎系統(tǒng)完成的。可見引擎系統(tǒng)在工作流系統(tǒng)中處于至關(guān)重要的地位。網(wǎng)格工作流引擎是工作流系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：解釋過程定義、為工作流實例提供運行時環(huán)境、控制工作流實例的運行，以及為上層應(yīng)用提供訪問接口。

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