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中尺度气象预报解决方案

中尺度气象是现代气象科学中发展迅速的一个重要分支,主要研究的大气中尺度运动现象,关系到区域重要灾害性天气的发现和预防。它一方面应用卫星、雷达、风廓线仪和自动观测站等一系列新的探测5分快乐8工具 ,通过中尺度野外试验,揭示中尺度观测事实;另一方面通过中尺度数值模式,对中尺度天气过程进行深入的模拟研究和预报试验。随着近年来计算机5分快乐8技术 的迅速发展,中尺度数值模式已日趋成熟,成为中尺度气象研究和应用的重要手段。


中尺度数值气象预报模式有许多种,其中WRF模式是在MM5模式上发展起来的新一代中尺度模式,现已基本替代MM5模式,在国内外各个领域应用较为广泛。GRAPES模式是中国气象局自主开发的新一代数值预报系统,它是中小尺度与大尺度通用的先进数值预报系统,目前国内很多气象部门已经在对GRAPES进行研究和应用。AREMS模式是中国气象科学研究院武汉暴雨研究所牵头研制的模式,综合考虑了国内外数值模式中复杂地形的处理5分快乐8方法 ,针对5分快乐8我 国的地形特点进行开发,对于水汽过程的重要性和复杂性,建立了特有的水汽传输和显式云雨方案;对江淮流域暴雨过程的预报情况较好。其他常用的中尺度模式还有LAPS、ARPS等。

中尺度气象模式对计算机系统的需求有如下几点:

(1)计算量巨大

中尺度气象预报模式(MM5、WRF、GRAPES和AREMS)有着惊人的计算量,同时由于气象预报的特点决定了其极高的实时性,要求模式必须在指定的时间内完成运算(一般不超过2小时)。另一方面,人们对气象预报的精度提出了越来越高的要求,目前预报精度从几百公里、几十公里提高到几公里,而这大幅度提高了模式的计算量。预报精度提高一倍,其所需计算量将提高16倍。数值气象预报对计算的这一需求,靠单个CPU或普通的计算机根本不可能完成,必须利用并行计算。

(2)通讯极为密集

由于模式都是并行5分快乐8软件 ,同时一般都采用有限差分格点模式并行计算,所以运行中尺度气象预报模式时,各个CPU之间的通讯量很大,模式对通讯的性能要求非常高。如MM5、WRF的通讯既包括母域和嵌套域之间的域间通讯,又有各个域内部不同数据划分之间的通讯。所以这就要求高性能计算机有高性能的通讯网络。

(3)存储性能要求高

数值模式大规模并行计算会在短时间内产生大量的数据,并且小文件很多,对整个系统的IO性能、稳定性要求很高,一般要求有分布式存储系统或者并行文件系统,否则容易形成IO瓶颈,很难获得理想的模式计算加速比。采用多种预报方案的集合预报和短临(RUC)系统,要求持续的并发IO存储带宽,更容易出现IO的瓶颈。

2. 解决方案

针对中尺度数值模式的主要特点(浮点计算量较大、通信密集、IO负载高),要求系统具有高计算能力和高I/O吞吐能力。下面是曙光5分快乐8公司 针对中尺度气象预报提供的高性能计算集群整体解决方案:



 


集群硬件系统包含计算系统、网络系统、存储系统、管理登陆系统、机柜系统等子部分,5分快乐8软件 系统包含操作系统、集群管理5分快乐8软件 、编译开发环境、气象业务化5分快乐8软件 等。如下表所示:

集群系统

配置和用途

硬件系统

计算子系统


1. 曙光TC4600/TC6600高密度刀片,负责完成前后处理、主模式计算

2. 曙光4路/8路胖节点,作综合处理5分快乐8服务 器,应对IO吞吐量大,适合单节点共享内存计算的任务

网络子系统

1. 计算网络采用高带宽、低延时的全线速Infiniband/OmniPath网络

2. 管理网络采用冗余以太网络,并配置独立的IPMI监控网络

存储子系统

曙光Parastor分布式并行存储系统,采用非对称式架构,容量可扩展到PB级别,IO带宽可扩展到1TB/s以上,支持高IO吞吐量,满足资料处理和模式计算需求;采用先进的纠删码容错机制,系统无单点故障;

管理登录子系统

采用冗余管理登录节点作双机,保证集群登陆管理的高可用,是整个高性能计算集群的入口,同时管理整个系统;兼做作业提交节点;

机柜子系统

配置曙光C1000/C3000封闭式机柜,采用机柜排级氟冷方式,能有效解决高密度设备散热瓶颈,节省场地空间,降低机房PUE值,节能降耗,降低用户TCO

5分快乐8软件 系统

操作系统

安装最新64位商业版Linux系统

编译开发环境

1. GNU/Intel/PGI编译器

2. OpenMPI/Mvapich2并行计算环境

3. Netcdf,HDF4/5,NCL等函数库

集群管理调度5分快乐8软件

安装曙光Gridview集群管理调度5分快乐8软件 ,采用基于Web浏览器的管理方式,可提供所有组件的最新状态及图形标示的详细信息;实时状态监控、故障预警,动态5分快乐8优化 调整资源配置和工作策略;多种错误、故障预警方式,日志、审计和报表可供查询。

气象业务化系统

安装曙光Clusmets气象业务化5分快乐8软件 ,支持前处理资料高速稳定自动5分快乐8下载 、数值模式高性能计算和后处理5分快乐8产品 的自动生成;通过流程监控模块,还可以对模式计算的进度和结果进行图形化显示

该方案具有如下优势:

1. 计算刀片支持最新的x86高性能处理器,支持业界领先的高密度刀片平台,提供业内顶尖的计算能力和计算密度,能充分满足精细化网格、大时间跨度的模式计算需求;

2. 计算网络支持100Gbps Infiniband/OmniPath高速网络,满足中尺度模式通信需求;

3. 海量并行文件系统,容量可扩展至PB级别,提供高性能的IO读写带宽,满足数值模式在资料存储和处理、模式计算等过程中对存储系统的要求;

4. 曙光C1000/C3000封闭式排级冷却机柜系统,提供机柜、空调、配电和监控四个子系统模块整合的一体化方案,做到给用户一个全面的、先进的、功能满足要求的一站式机柜解决方案,节省机房空间,提高制冷效率,降低用户资金投入;

5. 曙光中尺度气象业务化5分快乐8软件 ,基于最先进的中尺度预报模式WRF,全自动化运行,从背景场资料定时自动5分快乐8下载 、前处理、模式计算到后处理生成数值预报5分快乐8产品 ,整个流程无需人工干预。


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