省地气象台精细化天气预报系统文档格式.docx
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这种状况对气象工作者来说,挑战和机会并存。
中国气象局提出了气象预报要向精细化方向发展的战略思想。
精细化预报是高分辨率的天气预报的深人应用,高分辨率的数值模式是进行精细化预报的基础。
随着探测技术以及计算机能力的提升,开展高分辨率的数值天气预报已具备了良好的基础,研究一套切实可行的以数值预报为基础的业务系统是十分必要的。
把中尺度数值模式应用在实际业务预报中,在我国已有许多尝试【2--5J,近来由于计算机的飞速发展,许多省、地区气象台站以及军队、民航等部门都在加强这方面的工作。
1998年我们开展了数值模式的应用工作㈦和可视化技术【7【,在此基础上,应有关台站的要求,2000年研制出一套适合基层台站展开精细化预报的系统。
经过几年的发展,得到许多业务单位的支持和应用。
参照国外类似的系统旧J,注重应用中尺度数值模式的最新成果外,也应用到许多计算机先进技术,目前系统发展到3.3版,特别web远程控制技术的应用,使系统的操作1硬件条件
我国省地级气象业务单位的经费有限,采用微机机群技术,可以很好解决计算机资源和经费矛盾的问题。
设计系统时在注意系统的通用性的同时,特别注重采用目前廉价的微机及其Cluster系统。
用于模式积分的计算机是整个系统的关键硬件,目前有关计算服务器的技术很多,主要有以下3个方面:
①SMP（SymmetricMulti—Processing对称多处理器技术,②群集（Cluster技术,③NUMA（Non—UniforrnMemoryAccess分布式内存存取技术。
三者中,以NUMA技术最为先进,但其成本较高。
目前由于集群技术具有高效、低成本、易实现等特征,在我国发展较快。
清华大学,国防科技大学,国家高性能计算机中心都有研制。
我们采用方案C（参见第3节在曙光TCl700气象专用服务器、SGI0300和单台微机（奔腾Ⅳ1.7G进行了测试。
机器的配置如下:
曙光TCl700:
8×
2.0GIntel至强CPU（Clus—ter结构
SGl0300:
4×
500MMIPSCPU（NUMU结构
微机:
奔腾Ⅳ1.7G（单台
具体测试结果见表1。
国家自然科学基金（40175027和科技部公益专项“突发性强灾害天气预警系统的研制”资助
作者简介:
谷湘潜,男,1966年生,博士,副研,从事数值模式应用研究,Email:
guxq@c&
ll'
Ⅺ.govCrl收稿日期:
2005年9月21日;
定稿日期:
2005年12月16日
第2期谷湘潜等:
省地气象台精细化天气预报系统167
表1不同机器运行速度比较
从上表可见,虽然Cluster的运行速度较快,但CPU的利用率较低,如果改进模式的并行代码,实际所用时间可望进一步降低。
为测试并行节点数目与并行效率的关系,采用10台P4/1.6G,使用C方案进行了并行机试验,结果显示并行效率随并行节点的增加而下降,节点数目为偶数要优于奇数,综合考虑采用4个节点的并行计算是比较合适的。
2模式的选择
目前世界上多数数值模都已发展为非静力平衡技术,如MM5、ARPS、RAMS、WRF等。
这些模式如何用在我国的不同地区以及同一模式中的不同过程方案的选用,没有一个统一的标准。
我国地域辽阔,天气系统差别较大,比如暴雨按照地域划分就有北方暴雨、梅雨暴雨、华南前汛期暴雨以及台风暴雨等。
因此我们只能参考已有的一些结论,针对不同地区、不同季节进行大量的数值试验和典型个例结合,从而形成比较合理的方案。
AREMS对东亚暴雨有明显的优势,MM5对要素场的预报比较好,WRF技术先进,有待发展。
我国也在自行研制非静力平衡模式,同世界先进水平差距正在减小。
MM5V3悃J:
物理过程选项多,适合不同区域来选用,在我国宜采用兰勃托投影,根据计算条件的发展,可调整网格数目和格距。
采用多台微机MPI并行,网格距可达到5~10km。
目前系统主要运行MM5V3,结合目前的计算条件以及模式的计算量,系统建立了几套方案供用户选用,方案A、B可以在单台微机上运行,C、D、E方案需要采用并行计算方式,或者采用小型机。
业务要求模式必须2h左右积分完毕。
WRF模式旧J:
采用标准化编程利用最新的计算机技术,集多个模式的优势为一体机。
完全可压非静力模式、有限差分、垂直方向取质量坐标。
物理参数化大多来源于其他模式已发展的方案。
目前WRF模式在我国的应用正在兴起。
IAP—ETA模式110J:
对地形降水具有独到之处;
积分时间短。
该模式为大气所开发,在我国业务应用较多。
3软件的集成
由于互连网的推动,自由免费软件成了一个巨大的财富,如操作系统Linux和并行软件Mpich完全可以作运行中尺度模式的平台,目前许多发展中的模式都支持Linux/Mpich平台,如WRF以及CC—SM等。
把预报信息动态立体展现出来也十分重要,Vis5d和IBM的DataExploer可以进行动画演示,即使发达的国家也十分注重利用这些资源。
鉴于安全的因素,我国也十分重视Linux等开放源代码软件的应用和开发。
除了应用方面的模式外,目前系统用到了以下软件:
①Vis5D大型动画软件;
②GRADS/NCAR绘图软件;
③操作系统（RedHatLinux9.0/Fedora2;
④编译系统PGl5.1和IntelCompiler8.1;
⑤Mpich并行系统;
⑥NETCDF;
⑦PERL/rK;
⑧APACHE+PHP+MYSQL。
为使Vis5d的输出适合中国习惯,我们对源程序进行了修改。
重新编译APACHE+PHP+MYSQL的各个模块,解决了RedhatLinux系列中APACHE+PHP+MYSQLEllJ和并行计算存在冲突的问题。
另外,我们开发了以下几个软件:
①与T213谱模式产品的接口;
②MM5V3与ViS5D,GRADS,MICAPS的接口;
③系统Web远程控制模块。
4业务流程
定时启动,无需人工干预,每天积分4次,初始场为北京时08:
00和20:
00。
根据9210工程下传资料的时问:
08:
00的资料在11:
30半左右可以齐全,因此系统在12:
00启动,开始收集资料,GRIB解码,高空地面船舶报文的分析,客观分析到MM5主模块启动,约需3min。
国家气象中心每天下发T213的20:
00分析（预报1。
×
o格点资料,此资料须在第二天07:
00左右齐全,因此MM5客观分析的初估场只能采用前一天20:
00的T213预报场。
具体资料使用情况见表2。
00:
00和08:
00使用同一时刻的初始场,但初始场和同化资料不同,08:
00可以获得新的T213分析颀报作为初估场和边界条件。
这样系统每天启动4次,不断更新,提供丰富的预报产品。
预报结果可以在计算工作站上用Vis5d可视化演示u2I。
另外一些结果可以通过网络传送到指定
气象科技第35卷
的数据服务器保存,作为将来检验使用。
一般天气过程可通过MIQ姬S系统和WWW来浏览。
业务系统的流程如图1。
表2模式启动时间和资料场时间（北京时
初始场时刻估计场边界条件同化资料00:
00前1天20:
00T213预报场T213预报场20:
00,23:
0008:
00"
1"
213分析"
17213预报场20:
00,02:
00,05:
0012:
00当天08:
00T213预报场"
I"
213预报场08:
00,11:
0016:
00T213分析"
1213预报场08:
0014:
00
竺:
i竺篷竖11。
3登报资料I厂五i百磊和常规地面高空资料I:
二
查T213预报产品ff检查地面高空资料
l可用..!
互盟]。
盟……甜;
墨挈IAP.ETA积分1lMM5V3积分/WRF
图1精细化预报系统的业务流程示意图
基于业务时效的考虑,我们重新编制了GRIB解码程序。
MM5V3中的REGRID/pregrid模块中的通用GRIB解码程序不适合9210工程下传的GRIB资料。
其解码过程费时,其代码考虑的因子多,显得很长,不符合业务的要求。
实时业务中,尽管有9210工程的保障,但资料下传也有出错的可能,有时因天气的原因导致接收到的资料不全,很容易出错,造成模式积分不稳定。
系统能自动诊断不同层次,不同物理量的资料完备性,当缺少时就使用过去的资料来替代。
快速、充分地获取资料,是设计系统时必须十分重视的问题,只有这样才能保障预报的效果。
近来,随着自动站的建设,每小时的自动站的资料都能通过9210工程获得,系统采用Nudg—ing站点同化的方法L8J同化地面观测资料。
5系统Web远程控制技术
基于浏览器/且艮务器（B/S体系的设计是各种应用软件的趋势,这一结构省去了客户端软件的安装,方便系统的使用。
当然由于http协议本身的局限,对于实时的模式控制则很有限。
采用Linux版的php+mysql,我们进行系统的远程控制设计,可以利用浏览器对模式的主要参数进行调整（图2。
图2模式参数调整界面
如果用户输入的参数不合适,比如细网格的格点数不是3倍加1,系统可以检测调整。
这一设计十分适合用户进行模式本地化的数值试验工作。
用户可以避开各种复杂的shell语言,专注于模式的本地化研究试验。
实际工作中我们发现,不同的陆面过程在不同地区对于地面温度的预报差异较大,这种差异目前还不能在理论指导下减小或消除,所以只能在具体试验中发现。
鉴于业务的需要,增加了预报管理功能,基层台站只要输入预报的相关信息,每天在规定的时问内输入预报员的本站以及区域站点的预报.就可以进行预报评分,使业务管理客观公正,也可以与模式的预报对比。
在浏览器中可以使用图像、表格、曲线显示预报的各类要素变化,也可查阅近期的实况;
图像方式在全国范围内显示,也可以针对本地区局部精细化显示;
效果检验主要是对近一个月,目前可以检验温度、降水;
风显示可用气象上常用的风向标方法,这一技术目前在web技术中很难实现。
通过浏览器完成系统的浏览、参数修改、检验等功能。
这一技术
的实现充分体现了系统的先进性和易用性。
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怀化沅陵辰溪
溆浦
麻阳新晃芷江洪江会同靖州通道平均
6应用举例
降水预报是最为关注也是最为困难的问题,这里用表格的形式给出系统在一些台站的实际应用检验情况。
2002年底系统在怀化气
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