數值天氣預報中關鍵技術研究

陳曉燕，姜　蕊，劉　俊，張　鯤

(1. 海南熱帶海洋學院 海洋信息工程學院，海南 三亞　572022；2. 信陽師范學院 圖書館技術部，河南 信陽　464000；3. 解放軍電子工程學院 網絡系，安徽 合肥　230037)

數值天氣預報中關鍵技術研究

陳曉燕1，姜蕊2，劉俊3，張鯤1

(1. 海南熱帶海洋學院 海洋信息工程學院，海南 三亞572022；2. 信陽師范學院 圖書館技術部，河南 信陽464000；3. 解放軍電子工程學院 網絡系，安徽 合肥230037)

在數值天氣預報環境下，提出了將Web服務應用于其中，并進行了數值天氣預報工作流的設計和具體的實現方案，在一定程度上，這種方法能減少工作人員出錯的概率。

數值；工作流；天氣預報

本文著錄格式：陳曉燕，姜蕊，劉俊，等. 數值天氣預報中關鍵技術研究[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害頻繁發生的國家，例如中國的海南，每年都會受臺風的襲擊，給當地的人民生產和生活帶來了巨大的經濟損失。隨著時代的發展，人們對氣象服務的要求隨之提高，對短期天氣預報的要求越來越精準，并期望能得到中長期的天氣預報數據，如15天天氣預報或30天天氣預報數值。在這種環境下，天氣預報方法也從原有的建立在大氣定性理論的基礎上，發展到了數值天氣預報方法。

數值天氣預報（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值計算，求解描寫流體力學和熱力學這兩個天氣演變過程的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀態和天氣現象的方法[1-4]。數值天氣預報應用了當前最新的大氣科學理論，并將數值計算方法和高性能計算機技術融入其中，通過高性能計算平臺的模擬計算得到預報結果。數值天氣預報的理論思想1904年起源于挪威，但是在1954年才在瑞典得以實現。隨著計算機技術的蓬勃發展，數值天氣預報技術也不斷與時俱進。與西方國家相比，我國由于技術的限制，數值天氣預報起步較晚，直到20世紀60年代初，才出現原始方程模式72小時短期業務預報。隨著時代的進步，我國的數值天氣預報技術發展迅猛，特別是近年來，衛星遙感資料的使用，我國的數值天氣預報水平到了一個新的高度[5-6]。如今，數值天氣預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報的重要依據，其地位和影響，是其他預報方法所不能比擬的。

1　數值天氣預報模式

數值天氣預報首先需要建立一個數值預報模式，這個模式要滿足以下幾個條件：

（1）能夠對天氣進行短期或中期預報。

（2）有一個運算較快、誤差較小的計算方法。

（3）數值天氣預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整、處理和客觀分析，作為預報模式的輸入數據。

在數值天氣預報中，氣象預報模式有著超規模的計算量，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完成運算。與此同時，人們對氣象預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)：數值天氣預報模式。WRF模式是一個同時具有研究和業務數值預報服務的系統，這種模式下，能按照不同環境下的不同需求，將各種服務組件進行靈活的組合，WRF模式系統的主要組成如下[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預處理系統，這個程序的主要用于實時數值模擬。其中包括：1）定義模擬區域；2）插值地形數據（如地勢，土地類型，以及土壤類型）到模擬區域；3）從其他模式結果中細致網格以及插值氣象數據到此模擬區域。

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

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

2　數值天氣預報對Web服務的要求

Web服務是分布式計算技術，在數值天氣預報中，采用Web服務的方式為用戶提供天氣預報服務，是它的優點決定的，Web服務的優點如下：

（1）效率高，成本低。數值天氣預報的數據信息和相關應用程序是異地、異機存儲的，通過Web服務，對這些異地異機存儲的信息進行標準Web服務方式進行封裝，用戶就可以隨時隨地通過Internet進行訪問，而不需要知道數據存儲在何處。

（2）資源利用率高。通過應用Web服務，可以將用戶的請求分發到網絡中空閑的機器上，從而避免用戶的請求反復在一臺機器上響應，從而提高了網絡資源利用率。

（3）安全性高。通過Web服務的應用，可以為訪問主機的用戶進行認證授權，創建相應的工作目錄，避免用戶的數據被惡意篡改，從而提高數據的安全性。

3　數值天氣預報工作流設計與實現

現有的數值天氣預報處理系統，工作流程如下：采集原始觀測數據，將采集的數據交給高性能計算機上安裝的氣象模式進行加工處理，最后將數值預報產品發送到用戶[8-9]。在整個工作流程中，上一過程的執行結果作為下一過程的輸入數據，它們之間在次序和數據關系上有一定的依賴。作為氣象研究人員，如果要進行參數的修改，若是采用手動的方式進行修改，這個過程是相當繁瑣的。而采用流程管理系統，則可以讓作業實現自動提交并執行，并能夠將作業所處的狀態傳遞給研究人員。綜上所述，在數值天氣預報執行過程中，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，可以完成以下的工作：

（1）由研究人員指定運行哪些任務。

（2）指定各個任務執行的順序。

（3）為每個任務配置所需的參數。

（4）導入導出或修改配置文件。

3.1數值天氣預報工作流的設計

數值天氣預報模式的最大優點是能依據需求的不同，靈活的將各服務組件進行組合，得到不同的天氣預報工作流，結合這個特征，數值天氣預報工作流設計如下：

（1）將數值天氣預報模式和后處理圖形化工具相結合，對模式進行檢驗；

（2）將WRF預處理系統和后處理圖形化工具相結合，采用全球模式提供的背景場和側邊界；

（3）將數值天氣預報模式、多種數據同化系統和后處理圖形化工具相結合，采用全球模式提供的背景場和側邊界，同時用本地加密觀測數據。

3.2數值天氣預報工作流的實現

在本系統中，工作流的實現是通過Java程序來完成對的，任務的執行順序也是通過Java程序來進行控制的，與此同時，將參數信息從數據庫中提取出來，再由系統設定的時間啟動工作流實例執行，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，這個作業是定義工作流過程中添加的；

（2）將環境變量從數據庫中提取出來，并在腳本文件中將這些信息添加進去。

（3）將每個作業從list列表中按順序讀出來，并取得跟該作業相關聯的可執行程序和參數，依據用戶設定的工作流啟動時間，執行作業。

4　總結

本文對數值天氣預報中的WRF模式進行了深入的研究，依據數值天氣預報中各組件能靈活組合的特點，對數值天氣預報中的工作流進行了設計，并提出了實現的方案，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. 數值天氣預報云計算服務應用系統研究與實現[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2009.

[2] 朱小謙, 張衛民, 宋君強. 中尺度數值天氣預報模式MMS分布式并行計算[J]. 國防科技大學學報, 2003, 25(2): 56-59.

[3] 魏敏. 氣象高性能計算應用服務環境適應性研究[J]. 氣象, 2015, 41(1): 92-97.

[4] 劉立明, 王彬. 氣象網格環境下大數據的端到端傳輸機制研究[J]. 計算技術與自動化, 2014, 33(1): 122-126.

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

[6] 劉俊城. 數值天氣預報業務流程監控管理系統研究與實現[D]. 長沙: 國防科技大學碩士學位論文, 2007.

[7] 趙立成, 沈文海, 肖華東, 等. 高性能計算技術在氣象領域的應用[J]. 應用氣象學報, 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. 高性能計算技術在氣象部門的應用[J]. 計算機工程與設計, 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絡，數據挖掘；劉俊(1981-)，男，安徽岳西縣人，講師，碩士，主要研究方向為網絡信息安全，多媒體技術；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據分析與數據挖掘。

通訊聯系人: 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。