摘要：本文針對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求，對(duì)網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境下的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)工作流系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為氣象預(yù)報(bào)工作提供支持。
　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)格；氣象預(yù)報(bào)；分析
　　20世紀(jì)80年代傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)已被數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）取代。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)采用超大規(guī)模計(jì)算機(jī)將收集到的最新氣象資料進(jìn)行處理，采用合理的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，得到未來天氣的預(yù)報(bào)結(jié)果。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)要比人的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高得多，尤其對(duì)于轉(zhuǎn)折性的天氣變化，因此開展數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是各個(gè)國家氣象發(fā)展的重點(diǎn)。
　　1.數(shù)值氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析
　　數(shù)值預(yù)報(bào)是當(dāng)代天氣預(yù)報(bào)的一個(gè)主要工具，發(fā)展數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)是提高天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)水平的關(guān)鍵。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)已成為制作氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品不可缺少的基礎(chǔ)和手段。然而，在數(shù)值預(yù)報(bào)的模擬研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用的實(shí)踐中，單一的確定性數(shù)值預(yù)報(bào)水平的提高越來越困難，尤其是對(duì)一些局部地區(qū)發(fā)生的突發(fā)性、轉(zhuǎn)折性天氣過程的預(yù)報(bào)結(jié)果往往失敗。而且單一的確定性數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果也很不穩(wěn)定,這些現(xiàn)象對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
　　集合預(yù)報(bào)技術(shù)作為一種新興的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)，針對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的誤差來源，采用合理的擾動(dòng)原理和擾動(dòng)方法，構(gòu)造能沿著模式大氣相空間最不穩(wěn)定的方向快速增長的擾動(dòng)場和集合預(yù)報(bào)成員，大大提高了人們對(duì)暴雨等災(zāi)害性、轉(zhuǎn)折性、突發(fā)性、局地性天氣過程的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)能力。集合預(yù)報(bào)技術(shù)作為當(dāng)前高影響天氣事件（熱帶氣旋、暴雨等）的最佳預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的60％以上的產(chǎn)品是集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)制作的，同時(shí)集合預(yù)報(bào)也是WMOTHORPEX計(jì)劃的重要研究內(nèi)容。其核心計(jì)算是要對(duì)一組初值場擾動(dòng)樣本采用傳統(tǒng)的確定性數(shù)值模式進(jìn)行預(yù)報(bào)，然后對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)從而得到概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品。完整的集合預(yù)報(bào)流程包括擾動(dòng)值生成、多個(gè)模式預(yù)報(bào)、后處理、產(chǎn)品生成、可視化等多個(gè)處理過程。集合預(yù)報(bào)往往需要數(shù)萬億次以上的計(jì)算資源，未來超級(jí)集合預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)運(yùn)行將提出百萬億次甚至千萬億次計(jì)算能力的需求，這些需求對(duì)于某個(gè)計(jì)算中心的計(jì)算能力一般很難有效滿足。針對(duì)集合預(yù)報(bào)流程中的某些計(jì)算過程可以相互獨(dú)立的特點(diǎn)，可以采用分布處理的方式來組織計(jì)算，充分利用國內(nèi)的各種計(jì)算資源，在網(wǎng)格環(huán)境下通過有效的組織來運(yùn)行集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。
　　針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的腳本組織方式的不足，網(wǎng)格工作流技術(shù)可以有效解決網(wǎng)格環(huán)境下運(yùn)行氣象集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)過程面臨的問題。氣象集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，它包括一系列密集型計(jì)算，同時(shí)伴有大量的數(shù)據(jù)生成和遷移。而網(wǎng)格工作流一般被用來描述復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，在準(zhǔn)確反映科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的基礎(chǔ)上，它更加注重對(duì)數(shù)據(jù)流的管理、流程的優(yōu)化執(zhí)行以及對(duì)流程涉及到的各種網(wǎng)格資源的優(yōu)化調(diào)度。
　　2.數(shù)值氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)格應(yīng)用的需求
　　2.1數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的局限性
　　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是一門綜合性應(yīng)用科學(xué)，其發(fā)展取決于大氣科學(xué)(包括氣象學(xué)、大氣物理)、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、空基與地基遙感技術(shù)以及地球科學(xué)的其他領(lǐng)域等學(xué)科的進(jìn)步和發(fā)展。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)服務(wù)是利用分布在全球各地的各種物理設(shè)備進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)資料的收集，這些數(shù)據(jù)資料包括衛(wèi)星資料、常規(guī)資料、飛機(jī)、海洋資料以及下墊面資料等，并運(yùn)用分布在網(wǎng)格上的各個(gè)組織的高性能計(jì)算資源對(duì)這些資料進(jìn)行加工和處理，最終通過氣象預(yù)報(bào)應(yīng)用軟件得到天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品的過程。一個(gè)完整的天氣預(yù)報(bào)過程包括資料收集，資料前處理和質(zhì)量檢查，變分同化，模式預(yù)報(bào)，后處理以及產(chǎn)品可視化等過程。它是一門需要海量計(jì)算的科學(xué)，一直是HPC平臺(tái)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)前國內(nèi)建立的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)多運(yùn)行在銀河、IBM等巨型計(jì)算機(jī)或其它集群系統(tǒng)上。
　　（1）數(shù)值氣象應(yīng)用越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)值氣象應(yīng)用的復(fù)雜度超出以往任何時(shí)期，而且將越來越復(fù)雜。
　　（2）數(shù)值氣象應(yīng)用環(huán)境的地理分布性、應(yīng)用平臺(tái)的異構(gòu)性給應(yīng)用開發(fā)、部署帶來很大困難。全國性、全行業(yè)性應(yīng)用；新老應(yīng)用混雜；異構(gòu)平臺(tái)不可能統(tǒng)一；應(yīng)用和應(yīng)用依托的平臺(tái)的動(dòng)態(tài)變化。
　　（3）沒有新的技術(shù)支持，數(shù)值氣象應(yīng)用的復(fù)雜性將超過人的控制能力，制約應(yīng)用發(fā)展。
　　（4）數(shù)值氣象應(yīng)用需要有良好的平臺(tái)的支持。應(yīng)該有一層軟件，使得應(yīng)用看到的是統(tǒng)一的服務(wù)，徹底從物理細(xì)節(jié)和異構(gòu)系統(tǒng)細(xì)節(jié)解脫出來。
　　2.2網(wǎng)格計(jì)算在數(shù)值氣象集合預(yù)報(bào)中的作用
　　（1）隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，大量以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主導(dǎo)的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源和儀器設(shè)備資源等在互聯(lián)網(wǎng)上逐步形成，同時(shí)更大規(guī)模科學(xué)計(jì)算應(yīng)用（如集合氣象預(yù)報(bào)）的出現(xiàn)對(duì)計(jì)算能力提出了更高的要求。對(duì)于這些應(yīng)用，單一的巨型機(jī)或集群系統(tǒng)無法提供足夠的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)資源，于是網(wǎng)格計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)格通過將大范圍地理分布的異構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和資源整合在一起形成一個(gè)大規(guī)模的計(jì)算平臺(tái)，用戶可以將這個(gè)計(jì)算平臺(tái)視為一個(gè)“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，只需要接入這個(gè)計(jì)算平臺(tái)即可使用所有的資源和服務(wù)。由于網(wǎng)格聚集各類高性能計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、儀器資源，因此它能夠處理以前一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)無法解決或者不容易解決的大規(guī)模科學(xué)計(jì)算、大規(guī)模信息處理等。
　　（2）網(wǎng)格提供這樣一層抽象。網(wǎng)格工作流是數(shù)值氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)中一個(gè)很重要的部分。它主要完成數(shù)值氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)的流程編排、自動(dòng)將流程中的各計(jì)算步部署到各網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上啟動(dòng)執(zhí)行的功能。
　　3.基于網(wǎng)格的數(shù)值氣象預(yù)報(bào)流程特點(diǎn)
　　（1）提供圖形化的網(wǎng)格業(yè)務(wù)流程編輯工具
　　用戶只需使用該編輯工具，就能夠簡便地完成對(duì)其業(yè)務(wù)流程進(jìn)行編排。
　　（2）提供穩(wěn)定可靠的工作流引擎
　　網(wǎng)格工作流的核心就是工作流引擎，它是定義、創(chuàng)建、執(zhí)行工作流的軟件組元，首先負(fù)責(zé)接收由用戶編輯的業(yè)務(wù)流程，并對(duì)其進(jìn)行解釋，而后就可以對(duì)用戶編輯的業(yè)務(wù)流程定義進(jìn)行編排，生成多個(gè)工作流實(shí)例，工作流實(shí)例再從眾多服務(wù)中選擇可用、用戶權(quán)限可允許的服務(wù)，然后調(diào)用具體的服務(wù)實(shí)例執(zhí)行工作流程中的執(zhí)行步。
　　（3）提供業(yè)務(wù)流程運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控工具
　　對(duì)工作流程的執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)控，以圖形化的形式反饋給用戶，以讓用戶了解業(yè)務(wù)工作流程的具體執(zhí)行情況。在網(wǎng)格工作流生命周期中，其中網(wǎng)格工作流實(shí)例生成階段、網(wǎng)格工作流執(zhí)行階段、監(jiān)控階段的監(jiān)控信息收集都是由網(wǎng)格工作流引擎系統(tǒng)完成的。可見引擎系統(tǒng)在工作流系統(tǒng)中處于至關(guān)重要的地位。網(wǎng)格工作流引擎是工作流系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：解釋過程定義、為工作流實(shí)例提供運(yùn)行時(shí)環(huán)境、控制工作流實(shí)例的運(yùn)行，以及為上層應(yīng)用提供訪問接口。

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