高性能計(jì)算技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

　　摘要：近年來(lái)，全球氣候變化的不斷加劇，使氣象領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算機(jī)的應(yīng)用需求變得越來(lái)越強(qiáng)烈。本文對(duì)高性能計(jì)算技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的綜述，分析了高性能計(jì)算技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的適用性，并對(duì)高性能計(jì)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(jì)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(bào)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(jì)算技術(shù),超級(jí)計(jì)算機(jī),氣象數(shù)值

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使其在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中做出了巨大貢獻(xiàn)。高性能計(jì)算技術(shù)是以并行計(jì)算方式來(lái)提高其計(jì)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(jì)算機(jī)是難以有效勝任的，再加上氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的激增，使氣象領(lǐng)域迫切需要應(yīng)用高性能計(jì)算技術(shù)。隨著高性能計(jì)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(jì)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(dòng)了我國(guó)氣象領(lǐng)域的信息化發(fā)展。

　　一、高性能計(jì)算技術(shù)綜述

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

　　從宏觀層面來(lái)說，高性能計(jì)算技術(shù)已經(jīng)突破了并行計(jì)算的局限性，其和網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算、云計(jì)算以及網(wǎng)格計(jì)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(lái)越深入。以Flynn對(duì)高性能計(jì)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(lái)看，其訪存方式又包括非均勻存儲(chǔ)器存取、一致性高速緩存非均勻存儲(chǔ)訪問模型、均勻存儲(chǔ)器存取、非遠(yuǎn)程存儲(chǔ)訪問模型以及只用高速緩存的存儲(chǔ)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(chǔ)型多處理機(jī)、分布共享存儲(chǔ)以及并行向量處理機(jī)。對(duì)于集群系統(tǒng)來(lái)說，其是由大量相互獨(dú)立的計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集群內(nèi)所有計(jì)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(jì)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)�，F(xiàn)階段，高性能計(jì)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(jì)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(bào)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(duì)某組能夠?qū)Υ髿獾倪\(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中形成的場(chǎng)或量得到計(jì)算，其大氣的場(chǎng)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(jì)算其大氣運(yùn)動(dòng)過程的變化情況，并結(jié)合當(dāng)前天氣的實(shí)際狀態(tài)，從而預(yù)測(cè)出天氣在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)的變化趨勢(shì)。

　　氣象領(lǐng)域在進(jìn)行氣象數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)，必須要針對(duì)海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)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(shì)必會(huì)涉及到大量的計(jì)算。此外，在進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)所采用的偏微分方程組會(huì)涉及到幾十萬(wàn)乃至幾百萬(wàn)個(gè)自由度控制，這也同樣需要進(jìn)行大量計(jì)算，因此在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)時(shí)，必須要借助于高性能的計(jì)算技術(shù)來(lái)予以支持。

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

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

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

　　高性能計(jì)算技術(shù)在國(guó)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(jì)算技術(shù)使數(shù)值預(yù)報(bào)模式得到了可靠的技術(shù)支持，進(jìn)而使數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)得到了迅猛的發(fā)展。國(guó)外氣象部門所使用的高性能計(jì)算機(jī)具有非�？斓母�新速度，而且其系統(tǒng)的計(jì)算性能也高達(dá)每秒千萬(wàn)億次運(yùn)算。

　　在高性能計(jì)算機(jī)中，其各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)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(jì)算能力。因GPU眾核在編程模式上不同于CPU，因此在編程語(yǔ)言上也相對(duì)特殊，在模式移植優(yōu)化過程中存在很大的難度。這也使國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在應(yīng)用高性能計(jì)算機(jī)時(shí)，仍舊采用由純CPU進(jìn)行運(yùn)算的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只有少部分采用了GPU眾核的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)能夠移植改造氣象業(yè)務(wù)模式的相關(guān)計(jì)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(yùn)行時(shí)效及并行能力。

　　據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2016年6月，全世界位列前500名的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，被應(yīng)用于氣象領(lǐng)域的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了22套，在這22套高性能計(jì)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(gè)國(guó)家在發(fā)展數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)過程中正在有計(jì)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(guó)在氣象領(lǐng)域中所采用的高性能計(jì)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(jì)算技術(shù)在國(guó)內(nèi)氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　高性能計(jì)算技術(shù)在我國(guó)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(gè)方面。首先在能力建設(shè)上，我國(guó)氣象部門在業(yè)務(wù)發(fā)展中主要采用的IMBFlexP460高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，P460服務(wù)器組中的各個(gè)服務(wù)器均配置有4個(gè)8核的3.55GHzPower7CPU芯片，該系統(tǒng)的計(jì)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(gè)子系統(tǒng)，其利用InfiniBand網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并且將4個(gè)InfiniBand端口分別配置于各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)中，并利用邊緣交換機(jī)與對(duì)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(guó)氣象領(lǐng)域主要采用0.25°GRAPES與T639L60這兩種模式，在未來(lái)兩年，我國(guó)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(guó)正致力于將各個(gè)地區(qū)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用，通過整合、協(xié)調(diào)與共享各個(gè)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(yùn)行平臺(tái)，確保氣象業(yè)務(wù)的高效運(yùn)行。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　總而言之，現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，使高性能計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，長(zhǎng)期以來(lái)，因數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng)，再加上數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式研究的不斷深入，使氣象領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算技術(shù)中的計(jì)算資源需求變得越來(lái)越強(qiáng)烈。在未來(lái)發(fā)展過程中，我國(guó)氣象領(lǐng)域必將逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)家級(jí)與區(qū)域級(jí)在高性能計(jì)算技術(shù)方面的應(yīng)用結(jié)合，以此推動(dòng)我國(guó)氣象領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]趙立成，等.高性能計(jì)算技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2016，27(5).

　　[2]王彬.高性能計(jì)算技術(shù)在氣象部門的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014，35(4).

　　[3]司維，程等.高性能計(jì)算技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用探討[J].科技傳播，2014，6(16).

　　氣象方向評(píng)職知識(shí)：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(duì)于從事應(yīng)用氣象學(xué)研究的學(xué)者來(lái)說，想要發(fā)表一篇?dú)庀髮W(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(rùn)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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