天气预报中试基地支撑环境设计及建设

孟庆涛 张润福 李萍阳 林建 张小玲

（国家气象中心，北京 100081）

0 引言

研究与业务天生关注点的差异，导致预报业务单位引进先进预报研发技术并在实际预报业务中投入使用效果历来并不理想[1-4]。为加快改变这种现状，国家气象中心于2011年开始探索科研业务结合工作，中国气象局天气预报科技成果中试基地（CMA Testbed and Proving Ground for Weather Forecast，TPGW，以下简称中试基地）也于2015年正式组建[5]。

天气预报中试在国内属于起步期[6]。美国国家海洋大气管理局（NOAA）的危险天气测试基地HWT（Hazardous Weather Testbed）开辟独立办公室支持研究人员、预报员和技术支持人员使用历史资料和实时业务资料评估新的平台和技术，NOAA的联合飓风测试基地JHT（Joint Hurricane Testbed）建立和维护基础设施，以便应用研究的改进及其向业务运行、通讯和显示环境的转化[7]。集中的仿真业务预报环境使得研究人员与预报人员的交流互动更加流畅，有力促进新技术在业务中的试验。HWT的中试支撑环境直接促成集合预报和对流尺度数值模式在业务中的应用，也促进数值模式向高时间和空间分辨率，向对流尺度的集合预报系统的发展[7]。美国国家环境预报中心（NCEP）的风暴预报中心（SPC）的中试支撑环境促使RUC、中尺度集合预报系统和NSHARP等代表当时最高水平的预报技术快速地在业务中使用[7]。

国家气象中心先行尝试开展“两个平台”（科研开发平台和成果转化平台）的建设，对中试支撑环境建设方向进行实际探索。“两个平台”根据业务降水预报精细度欠缺和强天气预报难度大等实际情况，在2013和2014年6—7月组织展开暖季试验，聚焦春夏（4—9月）我国中东部暴雨和强对流天气过程，开展支撑暖季试验的仿真业务环境建设[5,8]，为中试基地支撑环境建设搭建良好基础。2015年，中试基地组建前后，中试基地办公室再次对中试支撑环境的设计和建设进行大量调研，征求专家和预报员意见，根据前期仿真业务环境建设经验，同时考虑到业务技术量和先进技术紧缺程度，确立以中小尺度天气预报为中试基地引进成果主要方向[5]，中试支撑环境的建设围绕中小尺度天气预报仿真业务环境（简称中试平台）开展。

1 中试支撑环境设计思路及关键技术

暖季试验初衷是通过联合会商研讨与新技术应用测试，从业务中寻找科学问题并研究解决，促进科研成果的改进和业务转化的良性循环[8]，仿真业务环境的设计围绕联合会商研讨和最新版本GRAPES-MESO和南京大学WRF4km等新技术应用测试展开，先后发现预报和机理问题超过30个，问题主要集中在短时强降水，雷暴大风和冰雹预报[8]。

中试基地支撑环境具体结构见图1。其中，会商室中试平台作为中试环境的集中操作和展示中心，部署5～6台业务微机和工作站，可承担引进新技术或科研成果（以下简称新技术）运行前段操作环境，新技术运行展示平台和中试基地IT资源集合站（图2）。会商室中试平台主要聚焦于中小尺度天气方面的实时监测，相关方面新技术的运行、测试和展示，同时提供与定量降水、强天气预报业务岗位完全相同的操作和数据环境，科研人员和预报员可在此快速测试新技术，利用新方法进行同步仿真预报和结果分析检验。

图1 中试基地支撑环境结构图Fig. 1 The framework of the environment of TPGW

图2 中试基地会商室中试平台架构图Fig. 2 The sketch map of the Testbed in the forecasting hall for TPGW

高性能计算资源依托中国气象局高性能IBM计算资源池，由中试基地牵头申请特定量的计算和存储资源，用于引进对计算和存储资源需求较大的新技术在中央气象台业务环境下的移植落地，准业务化运行测试和业务化运行试验。此外，考虑到新技术运行环境多样性，中试环境依托会商室中试平台提供Windows Server和Linux系统计算资源，可供计算资源需求小的新技术的准业务化运行和测试。

科研业务结合检验系统以为引进新技术提供与业务产品的客观检验结果为设计目标，对比检验算法全封闭和算法开放不同总框架下系统计算效率，框架可扩展性和稳定性，总体上开放式算法框架各项指标均优于封闭式算法框架。系统以开放式检验算法为框架核心，算法由用户自由编写，采用交互式B/S架构，实现灵活的业务模式产品与新技术交叉对比检验，同时提供详细的客观检验结果管理和绘图分析功能，其设计思路及框架见图3。

图3 科研业务结合检验系统设计框架图Fig. 3 The framework of the verification system for TPGW

2 中试支撑环境建设及应用

2.1 中央气象台会商室中试平台

会商室中试平台以7台微机和8块屏幕为主要载体。6台机器为Windows微机，主要用于实况监测和分析预报，资料共享和小型科学计算。1台为Linux工作站，主要用于小型新技术计算和运行。平台建成完全类似定量降水和强对流业务预报的操作平台和数据环境，操作环境包含常规地面和高空观测、雷达卫星资料、模式产品、集合预报产品、MICAPS、强天气工具箱、SWPCBROWSER（强天气资料浏览器）、SWAN和中央气象台文字产品制作系统等预报数据和工具。平台同时承担SWAP（卫星天气应用平台）、雷达风反演系统[9]、ROSE（新一代天气雷达建设业务软件系统）和LAPS（面向预报成因分析的多源资料融合应用系统[10-12]）等新技术的前端操作和对外展示环境。

会商室中试平台从2012年开始搭建，2013年初步建成，到2014年逐步完善。平台先后承担暖季会商值班[8,13-16]、新技术测试运行[8-14]、新产品预报试验和中央气象台短期首席交流班预报环境等功能[14-16]。表1列出2013年以来中试支撑环境支持的20项引进的业务转化科技成果概况[9-12,16-34]，覆盖强降水、台风、环境、强对流和灾害性天气预报等几乎所有业务预报方向。此外，近三年（2016—2018年）平台共支持23期联合会商研讨，会商参与人员分别来自中国科学院和中国气象局相关科研院所、国内外高校和各省（香港天文台）气象部门。

表1 2013—2018年天气预报科技成果业务转化情况Table 1 Operational transformation of scientific and technological achievements of weather forecast in 2013-2018

2.2 中试高性能计算环境

中试高性能计算环境依托中国气象局IBM高性能计算资源，实际可提供的计算和存储资源按年度动态调整，依据待转化成果计算和存储资源需求上限，每年由中试基地向中国气象局高性能计算资源管理部门申请适应实际需求的计算和存储资源。目前高性能计算资源提供2个独立计算账户。每账户可独立利用计算CPU核心数5000，实际每账户最大利用CPU核心数接近10000。每账户可利用存储资源17～20 TB，实际每账户利用存储接近17 TB。

中试高性能计算资源2014年建成后，先后应用于美国威斯康辛大学云图模拟系统和中国气象局武汉暴雨研究所面向预报成因分析的多源资料融合应用系统（LAPS系统）在中央气象台的业务化落地和运行测试。高性能计算资源主要承担云图模拟系统本地化编译改造测试，云图模拟技术嵌入GRAPES模式产品后处理系统测试和云图模拟产品类实况云图显示技术改造测试。对于面向预报成因分析的多源资料融合应用系统（LAPS），高性能计算资源承担其本地化编译测试，系统全流程运行测试、业务化测试和实际业务运行[10-11]，LAPS系统实时分析资料种类多，数据量大，其由华中地区扩容至全国范围内对计算和存储资源需求急剧升高，考虑到与中尺度数值模式并行业务应用需求，其空间时间分辨率数次升级，最终可提供1 h，东亚范围内5 km分辨率产品。在已有计算和存储能力制约下，中试高性能计算资源环境对5 km和1 h分辨率产品进行前后长达几个月的实时测试，寻求系统实时运行计算资源可支持的产品最大覆盖范围，期望提供最大范围的覆盖全国的实时格点分析场（图4）。

图4 5 km和1 h分辨率的面向预报成因分析的多源资料融合应用系统（LAPS）产品覆盖范围，填色区域代表产品覆盖最大范围（85°—140°E，15°—54°N）Fig. 4 The covering area of the product of the LAPS represents system with 5 km and 1 hour resolution, the shaded area reprents the max covering area(85°—140°E，15°—54°N)

目前，上述新技术均已实际投入业务使用,云图模拟技术作为GRAPES_MESO模式后处理云图模拟产品支撑关键技术，面向预报成因分析的多源资料融合应用系统（LAPS）通过国家气象中心业务化准入评审，两者分别为预报员提供实时云图模拟产品和高时空分辨率格点实况分析场[12]。

2.3 科研业务结合检验系统

科研业务结合检验系统2013年4月完成1.0版本，2014年12月升级至2.0版本，可实现降水和灾害性天气新技术与已有业务模式的交互式精细化检验。对比的业务模式产品（如T639、GRAPES、EC、南京大学WRF4km和NCEP等模式）和检验算法（如TS、ETS等评分）可实现页面参数选择并提交，系统同时对检验结果提供管理和编辑功能，支持检验结果常见绘图形式（如柱状图，折线图和饼状图等）展示、导出和结果出图等功能（图5）。

图5 科研业务结合检验系统结构Fig. 5 The structure of the verification system for TPGW

该系统建成以来，2013—2014年6—7月新技术测试期间，同时为南京大学WRF4km、GRAPES3km和GRAPES_MESO等中尺度模式的测试提供过程客观检验结果[8,13]，并向科学家和预报人员参与暖季试验值班提供客观检验产品和检验结果绘图分析产品（图5），以供其在上述新技术项目测试内部会商发言使用。

2.4 中试基地工作网站

中试基地工作网站建设成中央气象台官方网站的子网站，其访问地址如下：http://testbed.nmc.cn。工作网站主栏目包括基地介绍、联合分析、成果转化、平台建设和工作文档，共5个主要方面内容。

3 结论与讨论

中试基地支撑环境建成以来，截止到2018年底，先后服务于20项转化成果，48期联合会商，7期省级首席预报员强对流短时预报客座交流（DESK），参与单位包括20家省级台站，参与人次包含70余人次科学家和31省市的33名交流首席预报员[14-16]，为中试基地的工作提供坚实的支撑环境。

1）中试基地支撑环境的建设核心是会商室中试平台，作为集中展示平台，其设计思路应与引进新技术主方向相适应，中央气象台会商室中试平台以中小尺度天气预报为主要方向，建成定量降水和强天气预报为主的仿真业务预报环境和配套数据、计算和存储支持环境，并提供详细操作使用手册以供研究和预报人员参考。

2）中试高性能计算资源作为引进成果的运行和测试主环境，其设计思路需要兼容并包，计算系统在尽可能情况下应兼容Windows、Linux和AIX等主流科技成果运行计算环境，并提供弹性计算和存储资源支撑，中试基地高性能计算资源实行年度动态调整，以每年引进新成果的需求为参考，向国家气象信息中心申请适应当年成果转化所需的计算和存储资源，年均计算资源保持在5000～10000核心CPU数，存储资源保持在10～20 TB。

3）作为中试支撑环境的有力补充，科研业务结合检验系统设计应以交互式客观检验为主要思路，提供检验算法开放接口，以利于研究和预报人员利用新检验方法对成果进行客观检验和分析，系统采用B/S架构，算法开放可由用户提供，支持新成果与已有业务模式预报产品的客观对比检验，同时提供检验结果管理、绘图分析等功能。

4）中试基地工作网站作为中试基地的门户和对外宣传窗口，其设计思路应以提供尽量多信息和方便工作内容互动为原则，网站侧重提供联合会商和成果转化相关工作动态，技术交流和总结内容，方便预报与研究人员及时快速获取中试相关信息。