數(shù)值天氣預(yù)報中關(guān)鍵技術(shù)研究

陳曉燕，姜　蕊，劉　俊，張　鯤

(1. 海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，海南 三亞　572022；2. 信陽師范學(xué)院 圖書館技術(shù)部，河南 信陽　464000；3. 解放軍電子工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)系，安徽 合肥　230037)

數(shù)值天氣預(yù)報中關(guān)鍵技術(shù)研究

陳曉燕1，姜蕊2，劉俊3，張鯤1

(1. 海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，海南 三亞572022；2. 信陽師范學(xué)院 圖書館技術(shù)部，河南 信陽464000；3. 解放軍電子工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)系，安徽 合肥230037)

在數(shù)值天氣預(yù)報環(huán)境下，提出了將Web服務(wù)應(yīng)用于其中，并進行了數(shù)值天氣預(yù)報工作流的設(shè)計和具體的實現(xiàn)方案，在一定程度上，這種方法能減少工作人員出錯的概率。

數(shù)值；工作流；天氣預(yù)報

本文著錄格式：陳曉燕，姜蕊，劉俊，等. 數(shù)值天氣預(yù)報中關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 軟件，2016，37（9）：44-46

0　引言

中國是世界大國，同時也是世界上氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家，例如中國的海南，每年都會受臺風(fēng)的襲擊，給當(dāng)?shù)氐娜嗣裆a(chǎn)和生活帶來了巨大的經(jīng)濟損失。隨著時代的發(fā)展，人們對氣象服務(wù)的要求隨之提高，對短期天氣預(yù)報的要求越來越精準，并期望能得到中長期的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，如15天天氣預(yù)報或30天天氣預(yù)報數(shù)值。在這種環(huán)境下，天氣預(yù)報方法也從原有的建立在大氣定性理論的基礎(chǔ)上，發(fā)展到了數(shù)值天氣預(yù)報方法。

數(shù)值天氣預(yù)報（Numerical Weather Prediction）是指在一定的初值和邊值條件下，按照大氣實際情況，通過大型計算機作數(shù)值計算，求解描寫流體力學(xué)和熱力學(xué)這兩個天氣演變過程的方程組，預(yù)測未來一定時段的大氣運動狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法[1-4]。數(shù)值天氣預(yù)報應(yīng)用了當(dāng)前最新的大氣科學(xué)理論，并將數(shù)值計算方法和高性能計算機技術(shù)融入其中，通過高性能計算平臺的模擬計算得到預(yù)報結(jié)果。數(shù)值天氣預(yù)報的理論思想1904年起源于挪威，但是在1954年才在瑞典得以實現(xiàn)。隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)也不斷與時俱進。與西方國家相比，我國由于技術(shù)的限制，數(shù)值天氣預(yù)報起步較晚，直到20世紀60年代初，才出現(xiàn)原始方程模式72小時短期業(yè)務(wù)預(yù)報。隨著時代的進步，我國的數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是近年來，衛(wèi)星遙感資料的使用，我國的數(shù)值天氣預(yù)報水平到了一個新的高度[5-6]。如今，數(shù)值天氣預(yù)報方法已在氣象部門有著舉足輕重的地位，是氣象部門制作天氣預(yù)報的重要依據(jù)，其地位和影響，是其他預(yù)報方法所不能比擬的。

1　數(shù)值天氣預(yù)報模式

數(shù)值天氣預(yù)報首先需要建立一個數(shù)值預(yù)報模式，這個模式要滿足以下幾個條件：

（1）能夠?qū)μ鞖膺M行短期或中期預(yù)報。

（2）有一個運算較快、誤差較小的計算方法。

（3）數(shù)值天氣預(yù)報要利用各種觀測手段獲取氣象資料。

（4）能對所收集到的氣象資料進行調(diào)整、處理和客觀分析，作為預(yù)報模式的輸入數(shù)據(jù)。

在數(shù)值天氣預(yù)報中，氣象預(yù)報模式有著超規(guī)模的計算量，同時氣象要求能進行實時播報，這就要求模式必須在指定的時間內(nèi)完成運算。與此同時，人們對氣象預(yù)報的精度要求越來越高，這大幅度地提高了模式的計算量。

WRF(Weather Research and Forecasting Model)：數(shù)值天氣預(yù)報模式。WRF模式是一個同時具有研究和業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報服務(wù)的系統(tǒng)，這種模式下，能按照不同環(huán)境下的不同需求，將各種服務(wù)組件進行靈活的組合，WRF模式系統(tǒng)的主要組成如下[7]：

（1）ARW solver（The Advanced Research WRF solver）：高級研究WRF（ARW）求解，是WRF模式最核心部分，也是WRF的主模式。它由幾個理想化，實時同化以及數(shù)值積分的初始化程序組成。它還包括了一個單向嵌套的程序。

（2）WPS (WRF Preproeessing System)：WRF預(yù)處理系統(tǒng)，這個程序的主要用于實時數(shù)值模擬。其中包括：1）定義模擬區(qū)域；2）插值地形數(shù)據(jù)（如地勢，土地類型，以及土壤類型）到模擬區(qū)域；3）從其他模式結(jié)果中細致網(wǎng)格以及插值氣象數(shù)據(jù)到此模擬區(qū)域。

（3）WRF-Var（WRF-Variational Data Assimilation）：多種數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。該程序是可選擇的，但可用于將觀測數(shù)據(jù)融入到WPS所產(chǎn)生的插值分析中。它還可以在WRF模式處在循環(huán)模式運行時，用于更新WRF模式的初始條件。

（4）Post-Proeessing&visualizationtools：后處理圖形化工具，用于將模式結(jié)果以圖形化的形式顯示出來。通過可視化工具，可以將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成圖形，便于用戶查看。

2　數(shù)值天氣預(yù)報對Web服務(wù)的要求

Web服務(wù)是分布式計算技術(shù)，在數(shù)值天氣預(yù)報中，采用Web服務(wù)的方式為用戶提供天氣預(yù)報服務(wù)，是它的優(yōu)點決定的，Web服務(wù)的優(yōu)點如下：

（1）效率高，成本低。數(shù)值天氣預(yù)報的數(shù)據(jù)信息和相關(guān)應(yīng)用程序是異地、異機存儲的，通過Web服務(wù)，對這些異地異機存儲的信息進行標準Web服務(wù)方式進行封裝，用戶就可以隨時隨地通過Internet進行訪問，而不需要知道數(shù)據(jù)存儲在何處。

（2）資源利用率高。通過應(yīng)用Web服務(wù)，可以將用戶的請求分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中空閑的機器上，從而避免用戶的請求反復(fù)在一臺機器上響應(yīng)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

（3）安全性高。通過Web服務(wù)的應(yīng)用，可以為訪問主機的用戶進行認證授權(quán)，創(chuàng)建相應(yīng)的工作目錄，避免用戶的數(shù)據(jù)被惡意篡改，從而提高數(shù)據(jù)的安全性。

3　數(shù)值天氣預(yù)報工作流設(shè)計與實現(xiàn)

現(xiàn)有的數(shù)值天氣預(yù)報處理系統(tǒng)，工作流程如下：采集原始觀測數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)交給高性能計算機上安裝的氣象模式進行加工處理，最后將數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品發(fā)送到用戶[8-9]。在整個工作流程中，上一過程的執(zhí)行結(jié)果作為下一過程的輸入數(shù)據(jù)，它們之間在次序和數(shù)據(jù)關(guān)系上有一定的依賴。作為氣象研究人員，如果要進行參數(shù)的修改，若是采用手動的方式進行修改，這個過程是相當(dāng)繁瑣的。而采用流程管理系統(tǒng)，則可以讓作業(yè)實現(xiàn)自動提交并執(zhí)行，并能夠?qū)⒆鳂I(yè)所處的狀態(tài)傳遞給研究人員。綜上所述，在數(shù)值天氣預(yù)報執(zhí)行過程中，流程管理是很重要的一部分。研究人員通過工作流管理系統(tǒng)，可以完成以下的工作：

（1）由研究人員指定運行哪些任務(wù)。

（2）指定各個任務(wù)執(zhí)行的順序。

（3）為每個任務(wù)配置所需的參數(shù)。

（4）導(dǎo)入導(dǎo)出或修改配置文件。

3.1數(shù)值天氣預(yù)報工作流的設(shè)計

數(shù)值天氣預(yù)報模式的最大優(yōu)點是能依據(jù)需求的不同，靈活的將各服務(wù)組件進行組合，得到不同的天氣預(yù)報工作流，結(jié)合這個特征，數(shù)值天氣預(yù)報工作流設(shè)計如下：

（1）將數(shù)值天氣預(yù)報模式和后處理圖形化工具相結(jié)合，對模式進行檢驗；

（2）將WRF預(yù)處理系統(tǒng)和后處理圖形化工具相結(jié)合，采用全球模式提供的背景場和側(cè)邊界；

（3）將數(shù)值天氣預(yù)報模式、多種數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和后處理圖形化工具相結(jié)合，采用全球模式提供的背景場和側(cè)邊界，同時用本地加密觀測數(shù)據(jù)。

3.2數(shù)值天氣預(yù)報工作流的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，工作流的實現(xiàn)是通過Java程序來完成對的，任務(wù)的執(zhí)行順序也是通過Java程序來進行控制的，與此同時，將參數(shù)信息從數(shù)據(jù)庫中提取出來，再由系統(tǒng)設(shè)定的時間啟動工作流實例執(zhí)行，其具體的操作過程如下：

（1）自定義一個Javagzl類型，并定義一個list列表，用來存放作業(yè)，這個作業(yè)是定義工作流過程中添加的；

（2）將環(huán)境變量從數(shù)據(jù)庫中提取出來，并在腳本文件中將這些信息添加進去。

（3）將每個作業(yè)從list列表中按順序讀出來，并取得跟該作業(yè)相關(guān)聯(lián)的可執(zhí)行程序和參數(shù)，依據(jù)用戶設(shè)定的工作流啟動時間，執(zhí)行作業(yè)。

4　總結(jié)

本文對數(shù)值天氣預(yù)報中的WRF模式進行了深入的研究，依據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報中各組件能靈活組合的特點，對數(shù)值天氣預(yù)報中的工作流進行了設(shè)計，并提出了實現(xiàn)的方案，本方案能夠極大的提高氣象人員的工作效率，減少錯誤。

[1] 孫長征. 數(shù)值天氣預(yù)報云計算服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2009.

[2] 朱小謙, 張衛(wèi)民, 宋君強. 中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式MMS分布式并行計算[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報, 2003, 25(2): 56-59.

[3] 魏敏. 氣象高性能計算應(yīng)用服務(wù)環(huán)境適應(yīng)性研究[J]. 氣象, 2015, 41(1): 92-97.

[4] 劉立明, 王彬. 氣象網(wǎng)格環(huán)境下大數(shù)據(jù)的端到端傳輸機制研究[J]. 計算技術(shù)與自動化, 2014, 33(1): 122-126.

[5] 何小東, 朱偉軍, 李勛, 周毓荃. PC-Cluste: 的構(gòu)建和WRF模式并行運行[J]. 科技信息, 2009, (9): 63-64.

[6] 劉俊城. 數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)流程監(jiān)控管理系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 長沙: 國防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007.

[7] 趙立成, 沈文海, 肖華東, 等. 高性能計算技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 2016, 27(5): 550-558.

[8] 沈文海. 從云計算看氣象部門未來的信息化趨勢[J]. 氣象科技進展, 2012, 2(2): 49-56.

[9] 王彬. 高性能計算技術(shù)在氣象部門的應(yīng)用[J]. 計算機工程與設(shè)計, 2014, 35(4): 1476-1479.

The Key Techniques Research in Numerical Weather Prediction

CHEN Xiao-yan1, JIANG Rui2, LIU Jun3, ZHANG Kun1
(1. College of Ocean Information Engineering, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China; 2. Xinyang Normal University Library, 464000, China; 3. Network Department, Electronics Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China)

In the numerical weather prediction environment, Web services will be used in the design, the design of the workflow and the specific implementation plan are among them, to a certain extent, this method can reduce the mistakes of staff.

Numerical; Workflow; Weather forecast

TP301

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.010

三亞市院地科技合作項目(No. 2015YD43)

陳曉燕(1984-)，女，湖北武漢人，副教授，主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)挖掘；劉俊(1981-)，男，安徽岳西縣人，講師，碩士，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)信息安全，多媒體技術(shù)；張鯤(1981-)，男，黑龍江佳木斯人，教授，碩士,主要研究方向為智能數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘。

通訊聯(lián)系人: 姜蕊(982-)，女，河南信陽人，助理館員，碩士，主要研究方向為計算機軟件與理論。