云计算在数值天气预报中的应用

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，河南 信阳 464000；3. 解放军电子工程学院 网络系，合肥 230037）

云计算在数值天气预报中的应用

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，河南 信阳 464000；3. 解放军电子工程学院 网络系，合肥 230037）

本文针对数值天气预报中面临的难题，提出将云计算应用其中，并部署了云计算环境，设计云计算模块，设计了云计算门户组件。

云计算；数值；天气预报

0 引言

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。

一直以来，数值天气预报采用的是人工控制的方式，这种方式过程复杂，而且效率比较低，很难适合人们的要求。这种情况下，在数值天气预报中应用高性能的计算机就变得迫切，然而，高性能计算机由于其购机价格昂贵，维护成本又高，这些问题阻碍了高性能计算机在数值天气预报中的应用。近年来，各种技术推陈出新，并应用在数值天气预报当中，极大的推动了数值天气预报的发展，其中最具有代表性的是云计算。

1 云计算

云计算是分布式计算、互联网技术、大规模资源管理技术的融合的发展，由Internet上广泛分布的高性能计算机、数据库及各种资源整合而成，能有效的为用户提供计算服务、存储服务、信息服务等，能最大限度的实现资源共享[7-8]。通过云计算对资源的融合，最终展现给用户的是Web服务的形式，而作为客户，不需要购买昂贵的机器和支付高额的维护费用，只需要对自己使用的计算和存储资源进行付费。

云计算的特点[9-10]：

（1）超大规模

云计算管理系统具有相当大的规模，企业私有云一般拥有数百上千台服务器，能带给用户前所未有的计算能力。

（2）虚拟化

处在云计算服务下的用户，可以在不同的地理位置，使用任何终端设备来获取所需的服务。“云”不是固定的有形实体，用户不需要知道“云”所在的位置，只需要一个手机或者一台电脑，通过网络来获取所需的服务。

（3）高可靠性

在云计算中服务中，使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机可靠。

（4）通用性

云计算不针对特定的应用，同一个云计算环境下，可以同时支撑不同的应用运行。

（5）高可扩展性

云计算可依据规模动态伸缩，满足用户规模增长的需求。

（6）按需服务

云计算可以按需购买，可以像天然气、水、那样计费。

（7）廉价

云计算采用的是集中式管理方法，这使得企业不需要承担数据的管理费用，同时，云计算的通用性提高了资源的利用率，这一低成本的优点，使得完成任务所需的经费大幅降低。

2 云计算环境下数值天气预报实现

2.1 可行性分析

（1） 数值天气预报中计算量庞大，并且要求计算精度准、实时性高，在这种情况下，云计算能将高性能计算资源组织起来，还能依据系统的工作负载，对资源进行动态分配。

（2）作为数值天气预报系统的开发者来说，云计算节省了成本，提高了资源利用率。而作为用户来说，使用系统的用户不需了解系统的底层资源部署，不必关心系统中的作业在哪个节点上执行。

2.2 云计算环境下数值天气预报平台组建

2.2.1 云计算环境部署

云节点是高性能计算资源，云计算环境的部署如下：

（1）在云节点上部署虚拟空间服务，向云服务器提供虚拟机资源。

（2）在云节点上安装数值预报应用程序，为用户提供数值预报应用服务。

（3）在虚拟机上，通过部署虚拟机软件来实现，通过环境代理人和环境经纪人创建一个高性能计算资源群，这个群能支持公共广播任务调度。

2.2.2 数值预报云计算模块设计

数值预报云计算模块主要包括云计算模块和数值预报应用模块。

云计算模块主要是用于对用户提交的作业执行状态进行监控，作业执行状态分别是：作业的启动、作业的执行、作业的挂起、作业完成、作业失败。除此之外，云计算模块还能对作业进行删除操作。

数值预报应用模块主要包括预报设置和作业提交。预报设置能够为用户提供数值预报的区域、日期和时效，并能通过Web页面来得到用户设置的预报参数，同时，还能将用户的请求转发给数值预报服务组件，进而数值预报应用程序被启动。作业提交主要是实现提交已编辑好的数值预报作业的功能，还能选择调度方法。

3 云计算环境下数值天气预报系统门户实现过程

云计算环境下数值天气预报系统门户的实现是基于门户框架的，开发云计算门户组件的过程如下：

（1）新建云计算服务。在开发门户组件时，现在已有的云计算服务可以直接使用，也可以自行创建。

（2）编写门户组件。云计算服务创建好后，对云计算服务进行访问，需要用到编写好的门户组件。门户组件用于接收前端的用户请求，并将接收到的请求转发给底层的相应服务进行处理，处理后再对视图层进行更新，最后把结果反馈给用户。

（3）配置门户组件。在这个阶段，需要对门户组件进行定义名称、描述、支持的模式。

（4）部署门户组件。完成配置门户组件后，需要将门户组件部署到容器中，利用容器提供的门户组件工厂来统一调用逻辑层的门户组件服务，门户组件服务由三部分组成：①接口类②实现类③描述文件。

4 结论

本文研究了云计算环境下数值天气预报系统的实现，对云计算环境进行了相关的部署，设计了数值预报云计算模块。实践表明，本文的研究工作有一定的实际意义，今后将继续做这方面的研究，并将其应用到实践工作中去。

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SONG Zhi，XU Xiaoli，HE Jia. Research on Applying Cloud Computing in the Constructing Meteorological Information Systems[J]. Plateau and Mountain Meteorology Research. 2014， 34（4）：88-90.

The Application of Cloud Computing 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)

Aiming at problems in numerical weather prediction, this paper puts forward applying cloud computing, and deployment of the cloud computing environment, cloud computing module design, design the cloud portal components.

Cloud computing; Numerice; Weather prediction

陈晓燕，姜蕊，刘俊，等.云计算在数值天气预报中的应用[J]. 新型工业化，2016，6（10）：66-69.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.010

: CHEN Xiaoyan, JIANG Rui, LIU Jun, et al. The Application of Cloud Computing in Numerical Weather Prediction[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 66-69.

三亚院地科技合作项目（No. 2015YD43），2016年海南省教育科学“十三五”规划课题（No.QJY13516030）

陈晓燕（1984-），女，副教授，主要研究方向为无线传感网络，数据挖掘；刘俊（1981-），男，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，教授，硕士，主要研究方向为智能数据分析与数据挖掘。

姜蕊（1982-），女，助理馆员，硕士，主要研究方向为计算机软件与理论。