云計算在數(shù)值天氣預(yù)報中的應(yīng)用

陳曉燕，姜蕊，劉俊，張鯤

（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. 信陽師范學(xué)院 圖書館，河南 信陽 464000；3. 解放軍電子工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)系，合肥 230037）

云計算在數(shù)值天氣預(yù)報中的應(yīng)用

陳曉燕1，姜蕊2，劉俊3，張鯤1

（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. 信陽師范學(xué)院 圖書館，河南 信陽 464000；3. 解放軍電子工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)系，合肥 230037）

本文針對數(shù)值天氣預(yù)報中面臨的難題，提出將云計算應(yīng)用其中，并部署了云計算環(huán)境，設(shè)計云計算模塊，設(shè)計了云計算門戶組件。

云計算；數(shù)值；天氣預(yù)報

0 引言

數(shù)值天氣預(yù)報（Numerical Weather Prediction）是指在一定的初值和邊值條件下，按照大氣實際情況，通過大型計算機(jī)作數(shù)值計算，求解描寫流體力學(xué)和熱力學(xué)這兩個天氣演變過程的方程組，預(yù)測未來一定時段的大氣運(yùn)動狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法[1-4]。數(shù)值天氣預(yù)報應(yīng)用了當(dāng)前最新的大氣科學(xué)理論，并將數(shù)值計算方法和高性能計算機(jī)技術(shù)融入其中，通過高性能計算平臺的模擬計算得到預(yù)報結(jié)果。數(shù)值天氣預(yù)報的理論思想1904年起源于挪威，但是在1954年才在瑞典得以實現(xiàn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)也不斷與時俱進(jìn)。與西方國家相比，我國由于技術(shù)的限制，數(shù)值天氣預(yù)報起步較晚，直到20世紀(jì)60年代初，才出現(xiàn)原始方程模式72小時短期業(yè)務(wù)預(yù)報。隨著時代的進(jìn)步，我國的數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是近年來，衛(wèi)星遙感資料的使用，我國的數(shù)值天氣預(yù)報水平到了一個新的高度[5-6]。如今，數(shù)值天氣預(yù)報方法已在氣象部門有著舉足輕重的地位，是氣象部門制作天氣預(yù)報的重要依據(jù)，其地位和影響，是其他預(yù)報方法所不能比擬的。

一直以來，數(shù)值天氣預(yù)報采用的是人工控制的方式，這種方式過程復(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)報中應(yīng)用高性能的計算機(jī)就變得迫切，然而，高性能計算機(jī)由于其購機(jī)價格昂貴，維護(hù)成本又高，這些問題阻礙了高性能計算機(jī)在數(shù)值天氣預(yù)報中的應(yīng)用。近年來，各種技術(shù)推陳出新，并應(yīng)用在數(shù)值天氣預(yù)報當(dāng)中，極大的推動了數(shù)值天氣預(yù)報的發(fā)展，其中最具有代表性的是云計算。

1 云計算

云計算是分布式計算、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算機(jī)、數(shù)據(jù)庫及各種資源整合而成，能有效的為用戶提供計算服務(wù)、存儲服務(wù)、信息服務(wù)等，能最大限度的實現(xiàn)資源共享[7-8]。通過云計算對資源的融合，最終展現(xiàn)給用戶的是Web服務(wù)的形式，而作為客戶，不需要購買昂貴的機(jī)器和支付高額的維護(hù)費(fèi)用，只需要對自己使用的計算和存儲資源進(jìn)行付費(fèi)。

云計算的特點[9-10]：

（1）超大規(guī)模

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

（2）虛擬化

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

（3）高可靠性

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

（4）通用性

云計算不針對特定的應(yīng)用，同一個云計算環(huán)境下，可以同時支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

（5）高可擴(kuò)展性

云計算可依據(jù)規(guī)模動態(tài)伸縮，滿足用戶規(guī)模增長的需求。

（6）按需服務(wù)

云計算可以按需購買，可以像天然氣、水、那樣計費(fèi)。

（7）廉價

云計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，云計算的通用性提高了資源的利用率，這一低成本的優(yōu)點，使得完成任務(wù)所需的經(jīng)費(fèi)大幅降低。

2 云計算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報實現(xiàn)

2.1 可行性分析

（1） 數(shù)值天氣預(yù)報中計算量龐大，并且要求計算精度準(zhǔn)、實時性高，在這種情況下，云計算能將高性能計算資源組織起來，還能依據(jù)系統(tǒng)的工作負(fù)載，對資源進(jìn)行動態(tài)分配。

（2）作為數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的開發(fā)者來說，云計算節(jié)省了成本，提高了資源利用率。而作為用戶來說，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)在哪個節(jié)點上執(zhí)行。

2.2 云計算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報平臺組建

2.2.1 云計算環(huán)境部署

云節(jié)點是高性能計算資源，云計算環(huán)境的部署如下：

（1）在云節(jié)點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)點上安裝數(shù)值預(yù)報應(yīng)用程序，為用戶提供數(shù)值預(yù)報應(yīng)用服務(wù)。

（3）在虛擬機(jī)上，通過部署虛擬機(jī)軟件來實現(xiàn)，通過環(huán)境代理人和環(huán)境經(jīng)紀(jì)人創(chuàng)建一個高性能計算資源群，這個群能支持公共廣播任務(wù)調(diào)度。

2.2.2 數(shù)值預(yù)報云計算模塊設(shè)計

數(shù)值預(yù)報云計算模塊主要包括云計算模塊和數(shù)值預(yù)報應(yīng)用模塊。

云計算模塊主要是用于對用戶提交的作業(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、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，云計算模塊還能對作業(yè)進(jìn)行刪除操作。

數(shù)值預(yù)報應(yīng)用模塊主要包括預(yù)報設(shè)置和作業(yè)提交。預(yù)報設(shè)置能夠為用戶提供數(shù)值預(yù)報的區(qū)域、日期和時效，并能通過Web頁面來得到用戶設(shè)置的預(yù)報參數(shù)，同時，還能將用戶的請求轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)值預(yù)報服務(wù)組件，進(jìn)而數(shù)值預(yù)報應(yīng)用程序被啟動。作業(yè)提交主要是實現(xiàn)提交已編輯好的數(shù)值預(yù)報作業(yè)的功能，還能選擇調(diào)度方法。

3 云計算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)門戶實現(xiàn)過程

云計算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)門戶的實現(xiàn)是基于門戶框架的，開發(fā)云計算門戶組件的過程如下：

（1）新建云計算服務(wù)。在開發(fā)門戶組件時，現(xiàn)在已有的云計算服務(wù)可以直接使用，也可以自行創(chuàng)建。

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

（3）配置門戶組件。在這個階段，需要對門戶組件進(jìn)行定義名稱、描述、支持的模式。

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

4 結(jié)論

本文研究了云計算環(huán)境下數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的實現(xiàn)，對云計算環(huán)境進(jìn)行了相關(guān)的部署，設(shè)計了數(shù)值預(yù)報云計算模塊。實踐表明，本文的研究工作有一定的實際意義，今后將繼續(xù)做這方面的研究，并將其應(yīng)用到實踐工作中去。

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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.云計算在數(shù)值天氣預(yù)報中的應(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，主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)挖掘；劉俊（1981-），男，講師，碩士，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)信息安全，多媒體技術(shù)；張鯤（1981-），男，教授，碩士，主要研究方向為智能數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘。

姜蕊（1982-），女，助理館員，碩士，主要研究方向為計算機(jī)軟件與理論。