陳曉燕，姜蕊，劉俊，張?chǎng)H

（1. 海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院， 海南 三亞 572022；2. 信陽(yáng)師范學(xué)院 圖書(shū)館，河南 信陽(yáng) 464000；3. 解放軍電子工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)系，合肥 230037）

云計(jì)算在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

陳曉燕1，姜蕊2，劉俊3，張?chǎng)H1

（1. 海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院， 海南 三亞 572022；2. 信陽(yáng)師范學(xué)院 圖書(shū)館，河南 信陽(yáng) 464000；3. 解放軍電子工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)系，合肥 230037）

本文針對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中面臨的難題，提出將云計(jì)算應(yīng)用其中，并部署了云計(jì)算環(huán)境，設(shè)計(jì)云計(jì)算模塊，設(shè)計(jì)了云計(jì)算門(mén)戶組件。

云計(jì)算；數(shù)值；天氣預(yù)報(bào)

0 引言

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（Numerical Weather Prediction）是指在一定的初值和邊值條件下，按照大氣實(shí)際情況，通過(guò)大型計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算，求解描寫(xiě)流體力學(xué)和熱力學(xué)這兩個(gè)天氣演變過(guò)程的方程組，預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)段的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法[1-4]。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用了當(dāng)前最新的大氣科學(xué)理論，并將數(shù)值計(jì)算方法和高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)融入其中，通過(guò)高性能計(jì)算平臺(tái)的模擬計(jì)算得到預(yù)報(bào)結(jié)果。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的理論思想1904年起源于挪威，但是在1954年才在瑞典得以實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)也不斷與時(shí)俱進(jìn)。與西方國(guó)家相比，我國(guó)由于技術(shù)的限制，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)起步較晚，直到20世紀(jì)60年代初，才出現(xiàn)原始方程模式72小時(shí)短期業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國(guó)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是近年來(lái)，衛(wèi)星遙感資料的使用，我國(guó)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平到了一個(gè)新的高度[5-6]。如今，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法已在氣象部門(mén)有著舉足輕重的地位，是氣象部門(mén)制作天氣預(yù)報(bào)的重要依據(jù)，其地位和影響，是其他預(yù)報(bào)方法所不能比擬的。

一直以來(lái)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)采用的是人工控制的方式，這種方式過(guò)程復(fù)雜，而且效率比較低，很難適合人們的要求。這種情況下，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中應(yīng)用高性能的計(jì)算機(jī)就變得迫切，然而，高性能計(jì)算機(jī)由于其購(gòu)機(jī)價(jià)格昂貴，維護(hù)成本又高，這些問(wèn)題阻礙了高性能計(jì)算機(jī)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。近年來(lái)，各種技術(shù)推陳出新，并應(yīng)用在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)當(dāng)中，極大的推動(dòng)了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展，其中最具有代表性的是云計(jì)算。

1 云計(jì)算

云計(jì)算是分布式計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大規(guī)模資源管理技術(shù)的融合的發(fā)展，由Internet上廣泛分布的高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)及各種資源整合而成，能有效的為用戶提供計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、信息服務(wù)等，能最大限度的實(shí)現(xiàn)資源共享[7-8]。通過(guò)云計(jì)算對(duì)資源的融合，最終展現(xiàn)給用戶的是Web服務(wù)的形式，而作為客戶，不需要購(gòu)買昂貴的機(jī)器和支付高額的維護(hù)費(fèi)用，只需要對(duì)自己使用的計(jì)算和存儲(chǔ)資源進(jìn)行付費(fèi)。

云計(jì)算的特點(diǎn)[9-10]：

（1）超大規(guī)模

云計(jì)算管理系統(tǒng)具有相當(dāng)大的規(guī)模，企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺(tái)服務(wù)器，能帶給用戶前所未有的計(jì)算能力。

（2）虛擬化

處在云計(jì)算服務(wù)下的用戶，可以在不同的地理位置，使用任何終端設(shè)備來(lái)獲取所需的服務(wù)?！霸啤辈皇枪潭ǖ挠行螌?shí)體，用戶不需要知道“云”所在的位置，只需要一個(gè)手機(jī)或者一臺(tái)電腦，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取所需的服務(wù)。

（3）高可靠性

在云計(jì)算中服務(wù)中，使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來(lái)保障服務(wù)的高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠。

（4）通用性

云計(jì)算不針對(duì)特定的應(yīng)用，同一個(gè)云計(jì)算環(huán)境下，可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

（5）高可擴(kuò)展性

云計(jì)算可依據(jù)規(guī)模動(dòng)態(tài)伸縮，滿足用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需求。

（6）按需服務(wù)

云計(jì)算可以按需購(gòu)買，可以像天然氣、水、那樣計(jì)費(fèi)。

（7）廉價(jià)

云計(jì)算采用的是集中式管理方法，這使得企業(yè)不需要承擔(dān)數(shù)據(jù)的管理費(fèi)用，同時(shí)，云計(jì)算的通用性提高了資源的利用率，這一低成本的優(yōu)點(diǎn)，使得完成任務(wù)所需的經(jīng)費(fèi)大幅降低。

2 云計(jì)算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)

2.1 可行性分析

（1） 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中計(jì)算量龐大，并且要求計(jì)算精度準(zhǔn)、實(shí)時(shí)性高，在這種情況下，云計(jì)算能將高性能計(jì)算資源組織起來(lái)，還能依據(jù)系統(tǒng)的工作負(fù)載，對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。

（2）作為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，云計(jì)算節(jié)省了成本，提高了資源利用率。而作為用戶來(lái)說(shuō)，使用系統(tǒng)的用戶不需了解系統(tǒng)的底層資源部署，不必關(guān)心系統(tǒng)中的作業(yè)在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行。

2.2 云計(jì)算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報(bào)平臺(tái)組建

2.2.1 云計(jì)算環(huán)境部署

云節(jié)點(diǎn)是高性能計(jì)算資源，云計(jì)算環(huán)境的部署如下：

（1）在云節(jié)點(diǎn)上部署虛擬空間服務(wù)，向云服務(wù)器提供虛擬機(jī)資源。

（2）在云節(jié)點(diǎn)上安裝數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用程序，為用戶提供數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用服務(wù)。

（3）在虛擬機(jī)上，通過(guò)部署虛擬機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)環(huán)境代理人和環(huán)境經(jīng)紀(jì)人創(chuàng)建一個(gè)高性能計(jì)算資源群，這個(gè)群能支持公共廣播任務(wù)調(diào)度。

2.2.2 數(shù)值預(yù)報(bào)云計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

數(shù)值預(yù)報(bào)云計(jì)算模塊主要包括云計(jì)算模塊和數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用模塊。

云計(jì)算模塊主要是用于對(duì)用戶提交的作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)分別是：作業(yè)的啟動(dòng)、作業(yè)的執(zhí)行、作業(yè)的掛起、作業(yè)完成、作業(yè)失敗。除此之外，云計(jì)算模塊還能對(duì)作業(yè)進(jìn)行刪除操作。

數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用模塊主要包括預(yù)報(bào)設(shè)置和作業(yè)提交。預(yù)報(bào)設(shè)置能夠?yàn)橛脩籼峁?shù)值預(yù)報(bào)的區(qū)域、日期和時(shí)效，并能通過(guò)Web頁(yè)面來(lái)得到用戶設(shè)置的預(yù)報(bào)參數(shù)，同時(shí)，還能將用戶的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)值預(yù)報(bào)服務(wù)組件，進(jìn)而數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用程序被啟動(dòng)。作業(yè)提交主要是實(shí)現(xiàn)提交已編輯好的數(shù)值預(yù)報(bào)作業(yè)的功能，還能選擇調(diào)度方法。

3 云計(jì)算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)門(mén)戶實(shí)現(xiàn)過(guò)程

云計(jì)算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)門(mén)戶的實(shí)現(xiàn)是基于門(mén)戶框架的，開(kāi)發(fā)云計(jì)算門(mén)戶組件的過(guò)程如下：

（1）新建云計(jì)算服務(wù)。在開(kāi)發(fā)門(mén)戶組件時(shí)，現(xiàn)在已有的云計(jì)算服務(wù)可以直接使用，也可以自行創(chuàng)建。

（2）編寫(xiě)門(mén)戶組件。云計(jì)算服務(wù)創(chuàng)建好后，對(duì)云計(jì)算服務(wù)進(jìn)行訪問(wèn)，需要用到編寫(xiě)好的門(mén)戶組件。門(mén)戶組件用于接收前端的用戶請(qǐng)求，并將接收到的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給底層的相應(yīng)服務(wù)進(jìn)行處理，處理后再對(duì)視圖層進(jìn)行更新，最后把結(jié)果反饋給用戶。

（3）配置門(mén)戶組件。在這個(gè)階段，需要對(duì)門(mén)戶組件進(jìn)行定義名稱、描述、支持的模式。

（4）部署門(mén)戶組件。完成配置門(mén)戶組件后，需要將門(mén)戶組件部署到容器中，利用容器提供的門(mén)戶組件工廠來(lái)統(tǒng)一調(diào)用邏輯層的門(mén)戶組件服務(wù)，門(mén)戶組件服務(wù)由三部分組成：①接口類②實(shí)現(xiàn)類③描述文件。

4 結(jié)論

本文研究了云計(jì)算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)云計(jì)算環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)的部署，設(shè)計(jì)了數(shù)值預(yù)報(bào)云計(jì)算模塊。實(shí)踐表明，本文的研究工作有一定的實(shí)際意義，今后將繼續(xù)做這方面的研究，并將其應(yīng)用到實(shí)踐工作中去。

[1] 孫長(zhǎng)征.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)云計(jì)算服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

SUN Chang-zheng . The Research and Implementation of Cloud Computing Service of Numerical Weather Prediction System [D]. Changsha：Graduate School of National University of Defense Technology，2009

[2] 朱小謙，張衛(wèi)民，宋君強(qiáng).中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式MMS分布式并行計(jì)算[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（2）：56-59.

ZHU Xiao-qian，ZHANG Wei-min，SONG Jun-qiang .Research on the Distributed Parallel Computation of the Mesoscale Numerical Weather Prediction Model MM5[J]. Journal of National University of Defense Technology，2003，25（2）：56-59.

[3] 魏敏.氣象高性能計(jì)算應(yīng)用服務(wù)環(huán)境適應(yīng)性研究[J].氣象，2015， 41（1）：92-97.

WEI Min. Study on Adaptability of Meteorological High Performance Computing Application Services Environment [J]. Meteorological Monthly，2015， 41（1）：92-97.

[4] 劉立明，王彬.氣象網(wǎng)格環(huán)境下大數(shù)據(jù)的端到端傳輸機(jī)制研究[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2014，33（1）：122-126.

LIU Li-ming WANG Bin. Research of an End-to-End Transfer Mechanism for Big Data in CMAGrid Environment [J].Computing Technology and Automation，2014，33（1）：122-126.

[5] 黃燦，王東，殷舒怡，徐夢(mèng)嬋，唐晨濤.基于氣象數(shù)據(jù)挖掘的輸變電設(shè)備故障預(yù)警[J]. 新型工業(yè)化， 2016，6（5），33-39.

HUANG Can， WANG Dong，YIN Shu-yi，XU Meng-chan，TANG Chen-tao. Fault Prognosis in Power Transmission Equipment Based on Meteorological Data Mining [J].Journal of New Industrialization， 2016，6（5），33-39.

[6] 李永鋒. 網(wǎng)格環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 贛州：江西理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

Li Yongfeng.Research on the key technologies of numerical weather prediction in grid environment [D]. Ganzhou： Jiangxi University of Science and Technology，2012.

[7] 趙立成，沈文海，肖華東，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）： 550-558.

Zhao Licheng;Shen Wenhai;Xiao Huadong.The Application of High Performance Computing Technology in Meteorological Field [J].Journal of Applied Meteorological Science， 2016，27（5）： 550-558.

[8] 莫磊，胥布工.基于分布式估計(jì)及任務(wù)分配的WSANs協(xié)同機(jī)制[J]. 新型工業(yè)化， 2013，3 （12），15-27.

MO Lei， XU Bugong.Coordination Mechanism Based on Distributed Estimation and Task Allocation Design for WSANs [J].Journal of New Industrialization， 2013，3（12），15-27.

[9] 路建方.集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué).2009.

LU Jianfang.The Study and Implementation of the key techniques in Ensemble Prediction System[D]. National University of Defense Technology.2009.

[10] 宋智，徐曉莉，何嘉. 云計(jì)算在省級(jí)氣象信息系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)用的研究[J].高原山地氣象研究. 2014， 34（4）：88-90.

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

陳曉燕，姜蕊，劉俊，等.云計(jì)算在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 新型工業(yè)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.

三亞院地科技合作項(xiàng)目（No. 2015YD43），2016年海南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題（No.QJY13516030）

陳曉燕（1984-），女，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)挖掘；劉?。?981-），男，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信息安全，多媒體技術(shù)；張?chǎng)H（1981-），男，教授，碩士，主要研究方向?yàn)橹悄軘?shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘。

姜蕊（1982-），女，助理館員，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件與理論。