高性能計算技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

　　摘要：近年來，全球氣候變化的不斷加劇，使氣象領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡嬎銠C(jī)的應(yīng)用需求變得越來越強(qiáng)烈。本文對高性能計算技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的綜述，分析了高性能計算技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的適用性，并對高性能計算技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了深入的探析，以期高性能計算技術(shù)在不斷發(fā)展過程中能夠?qū)崿F(xiàn)與氣象預(yù)報應(yīng)用的深度融合，促進(jìn)氣象領(lǐng)域的技術(shù)革新。

　　關(guān)鍵詞：高性能計算技術(shù),超級計算機(jī),氣象數(shù)值

　　計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使其在各個領(lǐng)域的發(fā)展中做出了巨大貢獻(xiàn)。高性能計算技術(shù)是以并行計算方式來提高其計算性能的，而在氣象領(lǐng)域中，由于氣象數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，僅靠一般的計算機(jī)是難以有效勝任的，再加上氣象預(yù)報業(yè)務(wù)的激增，使氣象領(lǐng)域迫切需要應(yīng)用高性能計算技術(shù)。隨著高性能計算技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用，使氣象領(lǐng)域的高性能計算能力大大增強(qiáng)，其應(yīng)用水平也有了顯著提高，極大程度地推動了我國氣象領(lǐng)域的信息化發(fā)展。

　　一、高性能計算技術(shù)綜述

　　所謂高性能計算技術(shù)是指能夠?qū)Υ罅康娜蝿?wù)進(jìn)行高效、快速運算的技術(shù)，人們通常將高性能計算設(shè)備叫做超級計算機(jī)�，F(xiàn)階段，人們在計算機(jī)技術(shù)研究中，已經(jīng)將高性能計算技術(shù)作為其重要分支，通過對計算機(jī)的軟件開發(fā)、并行計算及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究，以此實現(xiàn)對高性能計算機(jī)的研發(fā)。

　　從宏觀層面來說，高性能計算技術(shù)已經(jīng)突破了并行計算的局限性，其和網(wǎng)格計算、分布式計算、云計算以及網(wǎng)格計算等正建立日益密切的聯(lián)系，彼此之間的融合也變得越來越深入。以Flynn對高性能計算技術(shù)的相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行分類，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)系統(tǒng)均是多指令多數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)，而以其訪存方式及結(jié)構(gòu)來看，其訪存方式又包括非均勻存儲器存取、一致性高速緩存非均勻存儲訪問模型、均勻存儲器存取、非遠(yuǎn)程存儲訪問模型以及只用高速緩存的存儲器結(jié)構(gòu)。

　　而其結(jié)構(gòu)模型則包括大規(guī)模并行處理、工作站集群、共享存儲型多處理機(jī)、分布共享存儲以及并行向量處理機(jī)。對于集群系統(tǒng)來說，其是由大量相互獨立的計算機(jī)所組成的，通過相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，并以某種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行連接，從而組成功能強(qiáng)大的計算機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對集群內(nèi)所有計算機(jī)的統(tǒng)一性管理與調(diào)度，使大量數(shù)據(jù)能夠得到高效的并行處理。

　　高性能計算技術(shù)的宗旨是為用戶提供更高的抗災(zāi)難性、可靠性以及可擴(kuò)充性信息化服務(wù)。現(xiàn)階段，高性能計算機(jī)的性能能否得到正常發(fā)揮，其取決于系統(tǒng)自身的架構(gòu)、處理器、每瓦特性能、機(jī)器規(guī)模以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)性能等關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

　　二、高性能計算技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的適用性

　　在氣象領(lǐng)域中，氣象數(shù)值預(yù)報是通過相應(yīng)的數(shù)值方法，在初值條件確定的基礎(chǔ)上，對某組能夠?qū)Υ髿獾倪\動狀態(tài)進(jìn)行表征所采用的一組數(shù)學(xué)物理方程，從而使大氣在運動過程中形成的場或量得到計算，其大氣的場或量主要體現(xiàn)在其風(fēng)向、濕度、風(fēng)速以及溫度等方面，通過計算其大氣運動過程的變化情況，并結(jié)合當(dāng)前天氣的實際狀態(tài)，從而預(yù)測出天氣在未來一段時間內(nèi)可能出現(xiàn)的變化趨勢。

　　氣象領(lǐng)域在進(jìn)行氣象數(shù)值預(yù)報時，必須要針對海量的觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行必要的同化分析與質(zhì)量檢查，只有這樣才能使初值條件得以被確定，而在此過程中勢必會涉及到大量的計算。此外，在進(jìn)行數(shù)值求解時所采用的偏微分方程組會涉及到幾十萬乃至幾百萬個自由度控制，這也同樣需要進(jìn)行大量計算，因此在數(shù)值天氣預(yù)報時，必須要借助于高性能的計算技術(shù)來予以支持。

　　并且，數(shù)值天氣預(yù)報需要具有較高的實效性，其計算工作必須要在規(guī)定的時間內(nèi)完成，如果僅僅采用一般的計算機(jī)來進(jìn)行運算，勢必是無法勝任的。通過高性能計算技術(shù)的應(yīng)用，能夠使氣象數(shù)值預(yù)報變得更加實時、準(zhǔn)確，進(jìn)而使氣象數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的發(fā)展瓶頸得到突破�，F(xiàn)階段，我國在氣象數(shù)值預(yù)報中，更需要向著多模式耦合、分辨率更高、集合預(yù)報的方向進(jìn)行不斷發(fā)展，這也使氣象領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡嬎慵夹g(shù)的能力要求得以不斷提高。由此可見，高性能計算技術(shù)在氣象領(lǐng)域是具有極高適用性的。

　　三、高性能計算技術(shù)在國內(nèi)外氣象領(lǐng)域的應(yīng)用探析

　　1.高性能計算技術(shù)在國外氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　高性能計算技術(shù)在國外氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在以下方面：其一是能力建設(shè)方面，高性能計算技術(shù)使數(shù)值預(yù)報模式得到了可靠的技術(shù)支持，進(jìn)而使數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)得到了迅猛的發(fā)展。國外氣象部門所使用的高性能計算機(jī)具有非�？斓母�新速度，而且其系統(tǒng)的計算性能也高達(dá)每秒千萬億次運算。

　　在高性能計算機(jī)中，其各個計算節(jié)點利用專用網(wǎng)或InfinijBand網(wǎng)絡(luò)，使其能夠以少量GPU、純CPU以及MIC眾核為主要的計算能力。因GPU眾核在編程模式上不同于CPU，因此在編程語言上也相對特殊，在模式移植優(yōu)化過程中存在很大的難度。這也使國外發(fā)達(dá)國家在應(yīng)用高性能計算機(jī)時，仍舊采用由純CPU進(jìn)行運算的高性能計算機(jī)系統(tǒng)，只有少部分采用了GPU眾核的高性能計算機(jī)系統(tǒng)，并對能夠移植改造氣象業(yè)務(wù)模式的相關(guān)計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的研發(fā)與探索，以此不斷提高氣象業(yè)務(wù)模式的運行時效及并行能力。

　　據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，2016年6月，全世界位列前500名的高性能計算機(jī)系統(tǒng)中，被應(yīng)用于氣象領(lǐng)域的高性能計算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了22套，在這22套高性能計算機(jī)系統(tǒng)中，其中有10套為MPP結(jié)構(gòu)，剩余的12套則為cluster結(jié)構(gòu);其二是模式發(fā)展方面，各個國家在發(fā)展數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)過程中正在有計劃地進(jìn)行，數(shù)值模式的分辨率也已普遍達(dá)到10至20Km;其三是資源管理方面，世界各國在氣象領(lǐng)域中所采用的高性能計算系統(tǒng)以一主一備為主，主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的架構(gòu)相同，并分別用于業(yè)務(wù)和科研。

　　2.高性能計算技術(shù)在國內(nèi)氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　高性能計算技術(shù)在我國氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用也同樣集中在能力建設(shè)、模式發(fā)展與資源管理這三個方面。首先在能力建設(shè)上，我國氣象部門在業(yè)務(wù)發(fā)展中主要采用的IMBFlexP460高性能計算機(jī)系統(tǒng)，P460服務(wù)器組中的各個服務(wù)器均配置有4個8核的3.55GHzPower7CPU芯片，該系統(tǒng)的計算能力為1054.2TF-LOPS，系統(tǒng)內(nèi)存高達(dá)163584GB。

　　該系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng)，其利用InfiniBand網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并且將4個InfiniBand端口分別配置于各個計算節(jié)點中，并利用邊緣交換機(jī)與對應(yīng)的核心交換機(jī)進(jìn)行連接。其次是在模式發(fā)展中，我國氣象領(lǐng)域主要采用0.25°GRAPES與T639L60這兩種模式，在未來兩年，我國在GRAPES模式的水平分辨率將提升至10Km。

　　最后，在資源管理方面，我國正致力于將各個地區(qū)的高性能計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)共享應(yīng)用，通過整合、協(xié)調(diào)與共享各個地區(qū)氣象部門所具有的氣象數(shù)據(jù)與設(shè)備資源，以此形成統(tǒng)一的運行平臺，確保氣象業(yè)務(wù)的高效運行。

　　四、結(jié)語

　　總而言之，現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，使高性能計算技術(shù)成為其重要的發(fā)展方向，而氣象領(lǐng)域作為高性能計算機(jī)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，長期以來，因數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的迅猛增長，再加上數(shù)值天氣預(yù)報模式研究的不斷深入，使氣象領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡嬎慵夹g(shù)中的計算資源需求變得越來越強(qiáng)烈。在未來發(fā)展過程中，我國氣象領(lǐng)域必將逐步實現(xiàn)國家級與區(qū)域級在高性能計算技術(shù)方面的應(yīng)用結(jié)合，以此推動我國氣象領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　氣象方向評職知識：應(yīng)用氣象學(xué)論文發(fā)表難嗎

　　應(yīng)用氣象學(xué)作為大氣科學(xué)的重要分支學(xué)科, 是將氣象學(xué)原理、方法和成果應(yīng)用于各行各業(yè)而形成的交叉性學(xué)科,對于從事應(yīng)用氣象學(xué)研究的學(xué)者來說，想要發(fā)表一篇氣象學(xué)論文并不難，但是很多作者都遇到過論文被退稿甚至拒稿的經(jīng)歷，但是通過反復(fù)的潤色和修改，最終還是能夠順利發(fā)表論文，發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)可以提供一些關(guān)于論文發(fā)表方面的咨詢。

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