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国内外气象领域中高性能计算技术的运用
发布时间:2019-09-11

  摘    要: 近年来,全球气候变化的不断加剧,使气象领域对高性能计算机的应用需求变得越来越强烈。本文对高性能计算技术进行相应的综述,分析了高性能计算技术在气象领域中的适用性,并对高性能计算技术在气象领域中的相关应用进行了深入的探析,以期高性能计算技术在不断发展过程中能够实现与气象预报应用的深度融合,促进气象领域的技术革新。

  关键词: 高性能计算技术; 超级计算机; 气象数值;

  计算机技术的发展,使其在各个领域的发展中做出了巨大贡献。高性能计算技术是以并行计算方式来提高其计算性能的,而在气象领域中,由于气象数据非常复杂,仅靠一般的计算机是难以有效胜任的,再加上气象预报业务的激增,使气象领域迫切需要应用高性能计算技术。随着高性能计算技术在气象领域中的应用,使气象领域的高性能计算能力大大增强,其应用水平也有了显着提高,极大程度地推动了我国气象领域的信息化发展。

  一、高性能计算技术综述

  所谓高性能计算技术是指能够对大量的任务进行高效、快速运算的技术,人们通常将高性能计算设备叫做超级计算机。现阶段,人们在计算机技术研究中,已经将高性能计算技术作为其重要分支,通过对计算机的软件开发、并行计算及系统结构等方面进行研究,以此实现对高性能计算机的研发。从宏观层面来说,高性能计算技术已经突破了并行计算的局限性,其和网格计算、分布式计算、云计算以及网格计算等正建立日益密切的联系,彼此之间的融合也变得越来越深入。以Flynn对高性能计算技术的相关系统进行分类,可以发现大多数系统均是多指令多数据流的系统,而以其访存方式及结构来看,其访存方式又包括非均匀存储器存取、一致性高速缓存非均匀存储访问模型、均匀存储器存取、非远程存储访问模型以及只用高速缓存的存储器结构。而其结构模型则包括大规模并行处理、工作站集群、共享存储型多处理机、分布共享存储以及并行向量处理机。对于集群系统来说,其是由大量相互独立的计算机所组成的,通过相应的通信网络,并以某种结构形式进行连接,从而组成功能强大的计算机系统,实现了对集群内所有计算机的统一性管理与调度,使大量数据能够得到高效的并行处理。高性能计算技术的宗旨是为用户提供更高的抗灾难性、可靠性以及可扩充性信息化服务。现阶段,高性能计算机的性能能否得到正常发挥,其取决于系统自身的架构、处理器、每瓦特性能、机器规模以及网络互联性能等关键的性能指标。

  二、高性能计算技术在气象领域中的适用性

  在气象领域中,气象数值预报是通过相应的数值方法,在初值条件确定的基础上,对某组能够对大气的运动状态进行表征所采用的一组数学物理方程,从而使大气在运动过程中形成的场或量得到计算,其大气的场或量主要体现在其风向、湿度、风速以及温度等方面,通过计算其大气运动过程的变化情况,并结合当前天气的实际状态,从而预测出天气在未来一段时间内可能出现的变化趋势。气象领域在进行气象数值预报时,必须要针对海量的观测数据来进行必要的同化分析与质量检查,只有这样才能使初值条件得以被确定,而在此过程中势必会涉及到大量的计算。此外,在进行数值求解时所采用的偏微分方程组会涉及到几十万乃至几百万个自由度控制,这也同样需要进行大量计算,因此在数值天气预报时,必须要借助于高性能的计算技术来予以支持。并且,数值天气预报需要具有较高的实效性,其计算工作必须要在规定的时间内完成,如果仅仅采用一般的计算机来进行运算,势必是无法胜任的。通过高性能计算技术的应用,能够使气象数值预报变得更加实时、准确,进而使气象数值预报业务的发展瓶颈得到突破。现阶段,我国在气象数值预报中,更需要向着多模式耦合、分辨率更高、集合预报的方向进行不断发展,这也使气象领域对高性能计算技术的能力要求得以不断提高。由此可见,高性能计算技术在气象领域是具有极高适用性的。
 

国内外气象领域中高性能计算技术的运用
 

  三、高性能计算技术在国内外气象领域的应用探析

  1. 高性能计算技术在国外气象领域中的应用

  高性能计算技术在国外气象领域中的应用主要集中在以下方面:其一是能力建设方面,高性能计算技术使数值预报模式得到了可靠的技术支持,进而使数值预报业务得到了迅猛的发展。国外气象部门所使用的高性能计算机具有非常快的更新速度,而且其系统的计算性能也高达每秒千万亿次运算。在高性能计算机中,其各个计算节点利用专用网或InfinijBand网络,使其能够以少量GPU、纯CPU以及MIC众核为主要的计算能力。因GPU众核在编程模式上不同于CPU,因此在编程语言上也相对特殊,在模式移植优化过程中存在很大的难度。这也使国外发达国家在应用高性能计算机时,仍旧采用由纯CPU进行运算的高性能计算机系统,只有少部分采用了GPU众核的高性能计算机系统,并对能够移植改造气象业务模式的相关计算机系统进行不断的研发与探索,以此不断提高气象业务模式的运行时效及并行能力。据相关资料统计,2016年6月,全世界位列前500名的高性能计算机系统中,被应用于气象领域的高性能计算机系统已经达到了22套,在这22套高性能计算机系统中,其中有10套为MPP结构,剩余的12套则为cluster结构;其二是模式发展方面,各个国家在发展数值预报业务系统过程中正在有计划地进行,数值模式的分辨率也已普遍达到10至20Km;其三是资源管理方面,世界各国在气象领域中所采用的高性能计算系统以一主一备为主,主系统与备用系统的架构相同,并分别用于业务和科研。

  2. 高性能计算技术在国内气象领域中的应用

  高性能计算技术在我国气象领域中的应用也同样集中在能力建设、模式发展与资源管理这三个方面。首先在能力建设上,我国气象部门在业务发展中主要采用的IMB Flex P460高性能计算机系统,P460服务器组中的各个服务器均配置有4个8核的3.55GHz Power7 CPU芯片,该系统的计算能力为1054.2TF-LOPS,系统内存高达163584GB。该系统主要包括两个子系统,其利用InfiniBand网络进行连接,并且将4个InfiniBand端口分别配置于各个计算节点中,并利用边缘交换机与对应的核心交换机进行连接。其次是在模式发展中,我国气象领域主要采用0.25°GRAPES与T639L60这两种模式,在未来两年,我国在GRAPES模式的水平分辨率将提升至10Km。最后,在资源管理方面,我国正致力于将各个地区的高性能计算机系统实现共享应用,通过整合、协调与共享各个地区气象部门所具有的气象数据与设备资源,以此形成统一的运行平台,确保气象业务的高效运行。

  四、结语

  总而言之,现代化信息技术的发展,使高性能计算技术成为其重要的发展方向,而气象领域作为高性能计算机技术的重要应用领域,长期以来,因数值天气预报业务的迅猛增长,再加上数值天气预报模式研究的不断深入,使气象领域对高性能计算技术中的计算资源需求变得越来越强烈。在未来发展过程中,我国气象领域必将逐步实现国家级与区域级在高性能计算技术方面的应用结合,以此推动我国气象领域的创新发展。

  参考文献

  [1]赵立成,等.高性能计算技术在气象领域的应用[J].应用气象学报,2016, 27 (5) .
  [2]王彬.高性能计算技术在气象部门的应用[J].计算机工程与设计,2014, 35 (4) .
  [3]司维,程等.高性能计算技术在气象领域中的应用探讨[J].科技传播,2014, 6 (16) .

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