数值天气预报中关键技术研究

陈晓燕，姜　蕊，刘　俊，张　鲲

(1. 海南热带海洋学院 海洋信息工程学院，海南 三亚　572022；2. 信阳师范学院 图书馆技术部，河南 信阳　464000；3. 解放军电子工程学院 网络系，安徽 合肥　230037)

数值天气预报中关键技术研究

陈晓燕1，姜蕊2，刘俊3，张鲲1

(1. 海南热带海洋学院 海洋信息工程学院，海南 三亚572022；2. 信阳师范学院 图书馆技术部，河南 信阳464000；3. 解放军电子工程学院 网络系，安徽 合肥230037)

在数值天气预报环境下，提出了将Web服务应用于其中，并进行了数值天气预报工作流的设计和具体的实现方案，在一定程度上，这种方法能减少工作人员出错的概率。

数值；工作流；天气预报

本文著录格式：陈晓燕，姜蕊，刘俊，等. 数值天气预报中关键技术研究[J]. 软件，2016，37（9）：44-46

0　引言

中国是世界大国，同时也是世界上气象灾害频繁发生的国家，例如中国的海南，每年都会受台风的袭击，给当地的人民生产和生活带来了巨大的经济损失。随着时代的发展，人们对气象服务的要求随之提高，对短期天气预报的要求越来越精准，并期望能得到中长期的天气预报数据，如15天天气预报或30天天气预报数值。在这种环境下，天气预报方法也从原有的建立在大气定性理论的基础上，发展到了数值天气预报方法。

数值天气预报（Numerical Weather Prediction）是指在一定的初值和边值条件下，按照大气实际情况，通过大型计算机作数值计算，求解描写流体力学和热力学这两个天气演变过程的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法[1-4]。数值天气预报应用了当前最新的大气科学理论，并将数值计算方法和高性能计算机技术融入其中，通过高性能计算平台的模拟计算得到预报结果。数值天气预报的理论思想1904年起源于挪威，但是在1954年才在瑞典得以实现。随着计算机技术的蓬勃发展，数值天气预报技术也不断与时俱进。与西方国家相比，我国由于技术的限制，数值天气预报起步较晚，直到20世纪60年代初，才出现原始方程模式72小时短期业务预报。随着时代的进步，我国的数值天气预报技术发展迅猛，特别是近年来，卫星遥感资料的使用，我国的数值天气预报水平到了一个新的高度[5-6]。如今，数值天气预报方法已在气象部门有着举足轻重的地位，是气象部门制作天气预报的重要依据，其地位和影响，是其他预报方法所不能比拟的。

1　数值天气预报模式

数值天气预报首先需要建立一个数值预报模式，这个模式要满足以下几个条件：

（1）能够对天气进行短期或中期预报。

（2）有一个运算较快、误差较小的计算方法。

（3）数值天气预报要利用各种观测手段获取气象资料。

（4）能对所收集到的气象资料进行调整、处理和客观分析，作为预报模式的输入数据。

在数值天气预报中，气象预报模式有着超规模的计算量，同时气象要求能进行实时播报，这就要求模式必须在指定的时间内完成运算。与此同时，人们对气象预报的精度要求越来越高，这大幅度地提高了模式的计算量。

WRF(Weather Research and Forecasting Model)：数值天气预报模式。WRF模式是一个同时具有研究和业务数值预报服务的系统，这种模式下，能按照不同环境下的不同需求，将各种服务组件进行灵活的组合，WRF模式系统的主要组成如下[7]：

（1）ARW solver（The Advanced Research WRF solver）：高级研究WRF（ARW）求解，是WRF模式最核心部分，也是WRF的主模式。它由几个理想化，实时同化以及数值积分的初始化程序组成。它还包括了一个单向嵌套的程序。

（2）WPS (WRF Preproeessing System)：WRF预处理系统，这个程序的主要用于实时数值模拟。其中包括：1）定义模拟区域；2）插值地形数据（如地势，土地类型，以及土壤类型）到模拟区域；3）从其他模式结果中细致网格以及插值气象数据到此模拟区域。

（3）WRF-Var（WRF-Variational Data Assimilation）：多种数据同化系统。该程序是可选择的，但可用于将观测数据融入到WPS所产生的插值分析中。它还可以在WRF模式处在循环模式运行时，用于更新WRF模式的初始条件。

（4）Post-Proeessing&visualizationtools：后处理图形化工具，用于将模式结果以图形化的形式显示出来。通过可视化工具，可以将数据文件转换成图形，便于用户查看。

2　数值天气预报对Web服务的要求

Web服务是分布式计算技术，在数值天气预报中，采用Web服务的方式为用户提供天气预报服务，是它的优点决定的，Web服务的优点如下：

（1）效率高，成本低。数值天气预报的数据信息和相关应用程序是异地、异机存储的，通过Web服务，对这些异地异机存储的信息进行标准Web服务方式进行封装，用户就可以随时随地通过Internet进行访问，而不需要知道数据存储在何处。

（2）资源利用率高。通过应用Web服务，可以将用户的请求分发到网络中空闲的机器上，从而避免用户的请求反复在一台机器上响应，从而提高了网络资源利用率。

（3）安全性高。通过Web服务的应用，可以为访问主机的用户进行认证授权，创建相应的工作目录，避免用户的数据被恶意篡改，从而提高数据的安全性。

3　数值天气预报工作流设计与实现

现有的数值天气预报处理系统，工作流程如下：采集原始观测数据，将采集的数据交给高性能计算机上安装的气象模式进行加工处理，最后将数值预报产品发送到用户[8-9]。在整个工作流程中，上一过程的执行结果作为下一过程的输入数据，它们之间在次序和数据关系上有一定的依赖。作为气象研究人员，如果要进行参数的修改，若是采用手动的方式进行修改，这个过程是相当繁琐的。而采用流程管理系统，则可以让作业实现自动提交并执行，并能够将作业所处的状态传递给研究人员。综上所述，在数值天气预报执行过程中，流程管理是很重要的一部分。研究人员通过工作流管理系统，可以完成以下的工作：

（1）由研究人员指定运行哪些任务。

（2）指定各个任务执行的顺序。

（3）为每个任务配置所需的参数。

（4）导入导出或修改配置文件。

3.1数值天气预报工作流的设计

数值天气预报模式的最大优点是能依据需求的不同，灵活的将各服务组件进行组合，得到不同的天气预报工作流，结合这个特征，数值天气预报工作流设计如下：

（1）将数值天气预报模式和后处理图形化工具相结合，对模式进行检验；

（2）将WRF预处理系统和后处理图形化工具相结合，采用全球模式提供的背景场和侧边界；

（3）将数值天气预报模式、多种数据同化系统和后处理图形化工具相结合，采用全球模式提供的背景场和侧边界，同时用本地加密观测数据。

3.2数值天气预报工作流的实现

在本系统中，工作流的实现是通过Java程序来完成对的，任务的执行顺序也是通过Java程序来进行控制的，与此同时，将参数信息从数据库中提取出来，再由系统设定的时间启动工作流实例执行，其具体的操作过程如下：

（1）自定义一个Javagzl类型，并定义一个list列表，用来存放作业，这个作业是定义工作流过程中添加的；

（2）将环境变量从数据库中提取出来，并在脚本文件中将这些信息添加进去。

（3）将每个作业从list列表中按顺序读出来，并取得跟该作业相关联的可执行程序和参数，依据用户设定的工作流启动时间，执行作业。

4　总结

本文对数值天气预报中的WRF模式进行了深入的研究，依据数值天气预报中各组件能灵活组合的特点，对数值天气预报中的工作流进行了设计，并提出了实现的方案，本方案能够极大的提高气象人员的工作效率，减少错误。

[1] 孙长征. 数值天气预报云计算服务应用系统研究与实现[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2009.

[2] 朱小谦, 张卫民, 宋君强. 中尺度数值天气预报模式MMS分布式并行计算[J]. 国防科技大学学报, 2003, 25(2): 56-59.

[3] 魏敏. 气象高性能计算应用服务环境适应性研究[J]. 气象, 2015, 41(1): 92-97.

[4] 刘立明, 王彬. 气象网格环境下大数据的端到端传输机制研究[J]. 计算技术与自动化, 2014, 33(1): 122-126.

[5] 何小东, 朱伟军, 李勋, 周毓荃. PC-Cluste: 的构建和WRF模式并行运行[J]. 科技信息, 2009, (9): 63-64.

[6] 刘俊城. 数值天气预报业务流程监控管理系统研究与实现[D]. 长沙: 国防科技大学硕士学位论文, 2007.

[7] 赵立成, 沈文海, 肖华东, 等. 高性能计算技术在气象领域的应用[J]. 应用气象学报, 2016, 27(5): 550-558.

[8] 沈文海. 从云计算看气象部门未来的信息化趋势[J]. 气象科技进展, 2012, 2(2): 49-56.

[9] 王彬. 高性能计算技术在气象部门的应用[J]. 计算机工程与设计, 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

三亚市院地科技合作项目(No. 2015YD43)

陈晓燕(1984-)，女，湖北武汉人，副教授，主要研究方向为无线传感网络，数据挖掘；刘俊(1981-)，男，安徽岳西县人，讲师，硕士，主要研究方向为网络信息安全，多媒体技术；张鲲(1981-)，男，黑龙江佳木斯人，教授，硕士,主要研究方向为智能数据分析与数据挖掘。

通讯联系人: 姜蕊(982-)，女，河南信阳人，助理馆员，硕士，主要研究方向为计算机软件与理论。