摘要：本文針對數值天氣預報業務系統的需求，對網格計算環境下的數值天氣預報工作流系統進行研究，利用計算機技術為氣象預報工作提供支持。
　　關鍵詞：網格；氣象預報；分析
　　20世紀80年代傳統的天氣預報已被數值天氣預報（NWP）取代。數值天氣預報采用超大規模計算機將收集到的最新氣象資料進行處理，采用合理的數值模型進行計算，得到未來天氣的預報結果。數值天氣預報要比人的經驗預報準確率高得多，尤其對于轉折性的天氣變化，因此開展數值天氣預報是各個國家氣象發展的重點。
　　1.數值氣象預報系統的現狀分析
　　數值預報是當代天氣預報的一個主要工具，發展數值預報技術是提高天氣預報業務水平的關鍵。數值天氣預報已成為制作氣象預報產品不可缺少的基礎和手段。然而，在數值預報的模擬研究和業務應用的實踐中，單一的確定性數值預報水平的提高越來越困難，尤其是對一些局部地區發生的突發性、轉折性天氣過程的預報結果往往失敗。而且單一的確定性數值預報結果也很不穩定,這些現象對數值天氣預報的發展提出了嚴峻的考驗。
　　集合預報技術作為一種新興的數值天氣預報技術，針對數值預報的誤差來源，采用合理的擾動原理和擾動方法，構造能沿著模式大氣相空間最不穩定的方向快速增長的擾動場和集合預報成員，大大提高了人們對暴雨等災害性、轉折性、突發性、局地性天氣過程的認識和預報能力。集合預報技術作為當前高影響天氣事件（熱帶氣旋、暴雨等）的最佳預報技術已經成為數值天氣預報業務系統的重要組成部分，歐洲中期天氣預報中心的60％以上的產品是集合預報業務系統制作的，同時集合預報也是WMOTHORPEX計劃的重要研究內容。其核心計算是要對一組初值場擾動樣本采用傳統的確定性數值模式進行預報，然后對預報結果進行統計從而得到概率預報產品。完整的集合預報流程包括擾動值生成、多個模式預報、后處理、產品生成、可視化等多個處理過程。集合預報往往需要數萬億次以上的計算資源，未來超級集合預報的業務運行將提出百萬億次甚至千萬億次計算能力的需求，這些需求對于某個計算中心的計算能力一般很難有效滿足。針對集合預報流程中的某些計算過程可以相互獨立的特點，可以采用分布處理的方式來組織計算，充分利用國內的各種計算資源，在網格環境下通過有效的組織來運行集合預報業務。
　　針對傳統的數值天氣預報業務的腳本組織方式的不足，網格工作流技術可以有效解決網格環境下運行氣象集合預報業務過程面臨的問題。氣象集合預報業務流程是一個復雜的科學實驗過程，它包括一系列密集型計算，同時伴有大量的數據生成和遷移。而網格工作流一般被用來描述復雜的科學實驗過程，在準確反映科學實驗過程的基礎上，它更加注重對數據流的管理、流程的優化執行以及對流程涉及到的各種網格資源的優化調度。
　　2.數值氣象預報系統對網格應用的需求
　　2.1數值天氣預報的局限性
　　數值天氣預報是一門綜合性應用科學，其發展取決于大氣科學(包括氣象學、大氣物理)、計算數學與計算機技術、空基與地基遙感技術以及地球科學的其他領域等學科的進步和發展。數值天氣預報服務是利用分布在全球各地的各種物理設備進行氣象數據資料的收集，這些數據資料包括衛星資料、常規資料、飛機、海洋資料以及下墊面資料等，并運用分布在網格上的各個組織的高性能計算資源對這些資料進行加工和處理，最終通過氣象預報應用軟件得到天氣預報產品的過程。一個完整的天氣預報過程包括資料收集，資料前處理和質量檢查，變分同化，模式預報，后處理以及產品可視化等過程。它是一門需要海量計算的科學，一直是HPC平臺的重要應用領域，當前國內建立的數值天氣預報業務系統多運行在銀河、IBM等巨型計算機或其它集群系統上。
　　（1）數值氣象應用越來越依賴于網絡環境，數值氣象應用的復雜度超出以往任何時期，而且將越來越復雜。
　　（2）數值氣象應用環境的地理分布性、應用平臺的異構性給應用開發、部署帶來很大困難。全國性、全行業性應用；新老應用混雜；異構平臺不可能統一；應用和應用依托的平臺的動態變化。
　　（3）沒有新的技術支持，數值氣象應用的復雜性將超過人的控制能力，制約應用發展。
　　（4）數值氣象應用需要有良好的平臺的支持。應該有一層軟件，使得應用看到的是統一的服務，徹底從物理細節和異構系統細節解脫出來。
　　2.2網格計算在數值氣象集合預報中的作用
　　（1）隨著計算機網絡技術的快速發展，大量以計算機系統為主導的計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源和儀器設備資源等在互聯網上逐步形成，同時更大規模科學計算應用（如集合氣象預報）的出現對計算能力提出了更高的要求。對于這些應用，單一的巨型機或集群系統無法提供足夠的計算能力和數據資源，于是網格計算應運而生。網格通過將大范圍地理分布的異構計算機系統和資源整合在一起形成一個大規模的計算平臺，用戶可以將這個計算平臺視為一個“超級計算機”，只需要接入這個計算平臺即可使用所有的資源和服務。由于網格聚集各類高性能計算資源、存儲資源、儀器資源，因此它能夠處理以前一臺高性能計算機無法解決或者不容易解決的大規模科學計算、大規模信息處理等。
　　（2）網格提供這樣一層抽象。網格工作流是數值氣象預報系統中一個很重要的部分。它主要完成數值氣象預報系統的流程編排、自動將流程中的各計算步部署到各網格結點上啟動執行的功能。
　　3.基于網格的數值氣象預報流程特點
　　（1）提供圖形化的網格業務流程編輯工具
　　用戶只需使用該編輯工具，就能夠簡便地完成對其業務流程進行編排。
　　（2）提供穩定可靠的工作流引擎
　　網格工作流的核心就是工作流引擎，它是定義、創建、執行工作流的軟件組元，首先負責接收由用戶編輯的業務流程，并對其進行解釋，而后就可以對用戶編輯的業務流程定義進行編排，生成多個工作流實例，工作流實例再從眾多服務中選擇可用、用戶權限可允許的服務，然后調用具體的服務實例執行工作流程中的執行步。
　　（3）提供業務流程運行過程中的實時監控工具
　　對工作流程的執行過程進行監控，以圖形化的形式反饋給用戶，以讓用戶了解業務工作流程的具體執行情況。在網格工作流生命周期中，其中網格工作流實例生成階段、網格工作流執行階段、監控階段的監控信息收集都是由網格工作流引擎系統完成的。可見引擎系統在工作流系統中處于至關重要的地位。網格工作流引擎是工作流系統的核心，其主要功能包括：解釋過程定義、為工作流實例提供運行時環境、控制工作流實例的運行，以及為上層應用提供訪問接口。

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