基于云計算的人工影響天氣業(yè)務(wù)應(yīng)用的研究

王山海，馬鑫鑫，劉 謙

(河南省人工影響天氣中心，河南 鄭州 450000)

0 引 言

云計算(cloud computing)是分布式計算、并行計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展，是一種新型的計算模式。目前云計算技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，在商業(yè)界也到了廣泛的應(yīng)用。亞馬遜、微軟、Google、阿里、華為等各大公司都提出了各自云計劃，準備在這一新興的領(lǐng)域占領(lǐng)制高點，打造新的盈利模式。另外學(xué)術(shù)界對該研究也從來沒有停止過，各種新理論新方法層出不窮。云計算的普及勢必將為各行各業(yè)帶來重大變革，氣象行業(yè)同樣將受到重大而深遠的影響[1]。云計算最大的特點是分布式(distributed)和虛擬化(virtualization)，它可以將分布的數(shù)據(jù)以及分散的計算資源集中起來，允許用戶按需申請服務(wù)[2]。與物理設(shè)備相比，云計算模式既可以滿足計算需求，也能大大降低成本。

人工影響天氣(簡稱“人影”)，指在適當(dāng)條件下，人們通過科技手段對局部大氣的過程進行影響，使某些局地天氣朝著有利于人類的方向轉(zhuǎn)化，從而避免或者減輕氣象災(zāi)害，合理利用氣候資源，實現(xiàn)增雨(雪)、防雹、消雨等目的[3]。目前實施人影作業(yè)主要有地面高炮(火箭架)和飛機兩種方式。地面作業(yè)通常利用高炮或者火箭架向目標云發(fā)射炮彈、火箭彈，將催化劑播撒在云中，從而影響云微物理過程。飛機人工影響天氣作業(yè)則是在空中飛行，將催化劑直接播撒，影響云物理過程。

在進行人影作業(yè)時，對作業(yè)潛力區(qū)的分析是必不可少的步驟。只有將催化劑播撒到潛力區(qū)內(nèi)，才能取得良好的作業(yè)效果，實現(xiàn)人影作業(yè)目的。目前對作業(yè)潛力區(qū)的分析主要是使用PC機，對大量的數(shù)據(jù)進行研究，得出合理的結(jié)果。隨著對人影作業(yè)科學(xué)性、時效性要求的提高，傳統(tǒng)PC機的計算瓶頸逐漸顯現(xiàn)，它無法滿足科學(xué)作業(yè)，發(fā)展智慧人影的需求。基于這種現(xiàn)狀，如果能將云計算模式引入到人影領(lǐng)域，必將充分發(fā)揮云計算作用，大大促進人影作業(yè)效果的提升。

1 云計算及其關(guān)鍵技術(shù)

近年來，隨著數(shù)據(jù)的爆炸式增長，快速處理海量的大數(shù)據(jù)成為必然，這對計算能力的需求提出新的挑戰(zhàn)?？陀^上要求一種不同于傳統(tǒng)方式的計算框架。在這種情況下，“云計算”的概念被提了出來。云計算綜合了分布式計算、并行處理和網(wǎng)格計算，能夠向各種應(yīng)用提供基于硬件、基礎(chǔ)架構(gòu)、平臺、軟件以及存儲服務(wù)[4]。云計算的核心目的是實現(xiàn)對計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源的管理。

1.1 云計算的定義

云計算目前已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，但還沒有關(guān)于云計算的統(tǒng)一定義。關(guān)于云計算的定義主要有如下幾種。

(1)云計算是一種能夠以靈活的方式提供計算資源的服務(wù)，滿足用戶按需所求，避免資源浪費[5]。

(2)云計算是一種并行的、分布式系統(tǒng)，可以按照約定的服務(wù)等級提供服務(wù)[6]。

(3)云計算屬于一種虛擬化的計算資源，調(diào)用者使用時按需付費[7]。

從上述定義中可以發(fā)現(xiàn)，幾種定義都將云計算看作服務(wù)。但是，這些定義都不完善。通過上述分析可以看出云計算架構(gòu)具有較好的性能。它將資本投入變成可變投入，減少了投資構(gòu)建數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器的盲目性，按需付費，降低了成本。還可以從大型規(guī)模經(jīng)濟中獲益，使用云計算，遠比自己投資硬件性價比高。同時無需考慮所需硬件設(shè)備容量，避免過高的資源配置造成浪費，也避免了過低的資源配置無法滿足應(yīng)用需求。在云計算環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)配置靈活性大大增加，IT資源配置快速。

1.2 云計算的分類

根據(jù)云計算架構(gòu)及服務(wù)目的，主要可以分為以下幾類：

(1)SaaS(軟件即服務(wù)，software as a service)。

這種類型的云計算模式在互聯(lián)網(wǎng)上一般通過瀏覽器對應(yīng)用程序進行交付。通常，SaaS應(yīng)用可提供廣泛的配置選項和開發(fā)環(huán)境，客戶能夠方便地對自己的代碼進行修改和添加。

(2)IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，infrastructure as a service)。

IaaS公有云供應(yīng)商主要提供計算和存儲服務(wù)。這種服務(wù)具有高可伸縮數(shù)據(jù)庫、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)等等。

(3)PaaS(平臺即服務(wù)，platform as a service)。

PaaS所提供的服務(wù)和工作流主要專門針對開發(fā)人員，這種服務(wù)可以方便開發(fā)人員快速開發(fā)、測試、部署應(yīng)用程序。

1.3 云計算的關(guān)鍵技術(shù)

云計算是一種新型的計算架構(gòu)，它以數(shù)據(jù)為中心，在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算、云通信等多方面具有自身獨特的技術(shù)[8]。

(1)為保證可用性、可靠性以及經(jīng)濟性，云計算存儲采用分布式存儲的方式。同時，云計算需要提供并行服務(wù)，從而保證大量用戶的并發(fā)訪問服務(wù)。需要具有高吞吐率和高傳輸率的特點。云計算常用的存儲技術(shù)主要有谷歌的GFS(Google file system)和Hadoop開發(fā)的GFS的開源實現(xiàn)HDFS(Hadoop distributed file system)。大多公司應(yīng)用的都是HDFS的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。

(2)云計算系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)集進行處理分析后向用戶提供高效的服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必須滿足能夠高效地管理大數(shù)據(jù)集的要求。其次，如何在規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中找到特定的數(shù)據(jù)，也是云計算數(shù)據(jù)管理技術(shù)所必須解決的問題。云計算的特點是對海量的數(shù)據(jù)存儲、讀取后進行大量的分析，數(shù)據(jù)的讀操作頻率遠大于數(shù)據(jù)的更新頻率，云中的數(shù)據(jù)管理是一種讀優(yōu)化的數(shù)據(jù)管理。因此，云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理往往采用數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中列存儲的數(shù)據(jù)管理模式。將表按列劃分后存儲。云計算的數(shù)據(jù)管理技術(shù)中最著名的是谷歌提出的BigTable數(shù)據(jù)管理技術(shù)[9]。

(3)為了使用戶能便利地享受云計算帶來的服務(wù)，讓用戶能利用該編程模型編寫簡單的程序來實現(xiàn)特定的目的，云計算上的編程模型必須十分簡單，必須保證后臺復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度向用戶透明。云計算大部分采用Map-Reduce的編程模式。目前主流IT廠商提出的“云”計劃中采用的編程模型，都是基于Map-Reduce的思想開發(fā)的編程工具。Map-Reduce不僅僅是一種編程模型，同時還是一種高效的任務(wù)調(diào)度模型。Map-Reduce這種編程模型并不僅僅適用于云計算，在多核和多處理器、Cpu processor以及異構(gòu)機群上同樣有良好的性能[10]。

云計算層次關(guān)系如圖1所示。

圖1 云計算層次關(guān)系

2 人影業(yè)務(wù)的科學(xué)依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 云霧降水的基本機制

由大氣中的水汽凝結(jié)(凝華)形成水滴、冰雪晶或它們的混合物組成的可見懸浮體形成云霧[11]，構(gòu)成降水的必要條件。云粒子在空中繼續(xù)吸附水汽，體積與重量逐漸增長，獲得較大的下落速度，并且在下落過程中沒有被蒸發(fā)掉，才能形成降水(見圖2)。

圖2 云霧降水微物理機制

自然界中的云具有不同的外形和空間尺度，可以存在于不同的高度，其組成也有固態(tài)或液態(tài)之分。通過分析云的分布情況和演變過程，可以研究當(dāng)時的天氣形勢和水汽狀況，還可以預(yù)測未來天氣的變化。人工影響天氣作業(yè)的開展，正是基于對云進行充分的宏、微觀研究，掌握云霧降水機制，開發(fā)空中水資源，增加降水。但長期以來，由于云霧、降水和可降水量有很大的不確定性，尤其是對云的了解還很不透徹，人工影響天氣作業(yè)中存有很大的盲目性[12]。這樣導(dǎo)致了作業(yè)資源浪費，貽誤作業(yè)時機，不能充分發(fā)揮人影作業(yè)效益。

2.2 人影業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)

中國的人工影響天氣始于20世紀50年代，通過50多年的發(fā)展，目前人工影響天氣無論從作業(yè)規(guī)模還是作業(yè)經(jīng)費投入都處于世界前列。同時，國家大力支持建設(shè)東北、西北、中部區(qū)域人工影響工程。21世紀初，出于抗旱防災(zāi)、減災(zāi)和改善生態(tài)環(huán)境的需要，中國人工影響天氣呈現(xiàn)快速發(fā)展勢頭，國家也增大了對人工影響天氣研究的支持力度，同時學(xué)術(shù)界對人工影響天氣的理論和探測研究也得到了快速發(fā)展。為了更好地開展人工影響天氣業(yè)務(wù)，切實提高人影作業(yè)效益，全國氣象部門以及相關(guān)高校科研院所對人影業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)的研究不斷深入和加強。

針對每一次天氣過程，為了實現(xiàn)不同的需求，取得作業(yè)實效，應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)臅r機，對適當(dāng)?shù)脑企w，播撒適當(dāng)劑量的催化劑，即做到三適當(dāng)[13]。而對作業(yè)潛力區(qū)的準確分析是做到三適當(dāng)?shù)那疤?。對人影作業(yè)潛力區(qū)的研究主要從天氣形勢、高空探測、數(shù)值模式等云降水微觀特征方面展開，選取適宜人工增雨作業(yè)的云系。目前已有大量的科技文獻從播云溫度窗、過冷水含量與冰晶濃度、云的宏觀特征以及多普勒雷達等方面論述了作業(yè)潛力區(qū)的選取。

無論采用哪種關(guān)鍵技術(shù)，原始觀測資料是必不可少的內(nèi)容。結(jié)合河南人影中心的實際業(yè)務(wù)，常用的觀測資料包含以下內(nèi)容，如表1所示。從表中可以看出，人影特種觀測資料數(shù)據(jù)量較大，種類較多，如果使用傳統(tǒng)的PC機或者服務(wù)器來進行數(shù)據(jù)處理，將無法滿足人影業(yè)務(wù)的需求。因此，在人影領(lǐng)域引入云計算模式是一個不錯的選擇。

衛(wèi)星云圖是通過氣象衛(wèi)星觀測到的地球上的云層覆蓋地表特征的圖像。目前接收的云圖主要有紅外云圖、可見光云圖及水汽圖等。在天氣分析中可以利用衛(wèi)星云圖識別天氣系統(tǒng)，估計其強度和發(fā)展趨勢，為研究天氣提供依據(jù)。目前在學(xué)術(shù)界已有大量基于衛(wèi)星云圖應(yīng)用展開的研究。文獻[14]以FY2號氣象衛(wèi)星云圖為研究對象，利用圖像分割技術(shù)，去掉非臺風(fēng)云系，定位臺風(fēng)中心；文獻[15]選取了1995-1998年的冰雹衛(wèi)星云圖，分析了產(chǎn)生冰雹衛(wèi)星云圖的特征，為冰雹預(yù)報提供了技術(shù)方法；文獻[16]針對中尺度強對流云團的衛(wèi)星云圖識別，設(shè)計了短時臨近預(yù)報系統(tǒng)；文獻[17]利用衛(wèi)星云圖及其他資料分析了2002年7月17日在華北地區(qū)上空出現(xiàn)的中尺度渦旋成因，對于提升對流性天氣預(yù)報質(zhì)量有很好的幫助作用。這些文獻的研究內(nèi)容都是基于衛(wèi)星云圖展開的，雖然衛(wèi)星云圖在人影研究中具有重要作用，但是衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)量較大，特別是衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)的獲得，對計算機硬件要求較高。

表1 人影特種觀測資料

雷達在人工影響天氣領(lǐng)域的應(yīng)用也已開展了大量的試驗研究工作。青海省氣象局、中國科學(xué)院大氣物理研究所利用711雷達回波、地面和高空加密觀測等資料在黃河上游的瑪曲地區(qū)開展人工增雨試驗，研究表明天氣雷達在這一工作中發(fā)揮了重要作用[18]。2002秋季和2003年春季，分別在青海省、河南省開展的云和降水的雷達觀測，為人工影響天氣研究工作提供了參考數(shù)據(jù)[19]。文獻[20]研究表明，多普勒天氣雷達風(fēng)場資料可為天氣系統(tǒng)的中尺度結(jié)構(gòu)分析和人影作業(yè)潛力區(qū)的劃定提供更多判定依據(jù)，它在開展人影作業(yè)指揮、作業(yè)效果評估、云和降水動力機制研究等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

云降水?dāng)?shù)值模式是人工影響天氣研究中的一個關(guān)鍵組成部分。云降水模式是將云的三維動力學(xué)方程和云微物理方程聯(lián)立，結(jié)合觀測和實驗結(jié)果求解。通過方程的求解，可以模擬云降水的發(fā)展演變過程。數(shù)值模式的作用體現(xiàn)在它能夠在相同的云況下比較人影作業(yè)前后云的異同，從而可以明確人影作業(yè)的效果。同時，它也可用這些過程來重建過去的試驗條件，計算其應(yīng)有的播云效果。這些程序也可用來模擬播云物質(zhì)的擴散效果，提供外場試驗和作業(yè)所需的實時預(yù)報，在作業(yè)區(qū)外檢驗播云后的潛在效應(yīng)，從而有助于人影試驗的統(tǒng)計分析。隨著云降水微物理過程認識的不斷深入以及計算能力的提高，可以降低人工影響天氣工作的很多不確定性，提升業(yè)務(wù)能力和科技水平[21-22]。目前河南省人影中心使用的模式是GRAPES-CAMS模式和WRF模式，由于模式運算對計算機性能要求較高，地方人影機構(gòu)無法滿足硬件要求，因此這兩種模式都是國家局人影中心計算出來后面向全國下發(fā)。如果能夠使用云計算方式，結(jié)合河南本地特征元素，在河南本地進行模式優(yōu)化計算，對指導(dǎo)開展人影業(yè)務(wù)將會有更強的針對性。

利用上文提到的衛(wèi)星、雷達、模式等資料和數(shù)據(jù)對2004-2013年10年間中部區(qū)域春、秋季降水過程進行統(tǒng)計分析，歸納出典型降水類型的天氣系統(tǒng)和降水特點，總結(jié)出人影增雨潛力區(qū)相關(guān)指標，如表2所示。如果云系滿足這些指標，則認為具備增雨潛力，可以進行人工增雨作業(yè)[23]。

2.3 云計算在人影業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

河南省氣象局信息中心為了給各業(yè)務(wù)單位提供高效的計算、存儲、通信服務(wù)，減輕各業(yè)務(wù)單位的運維壓力和投資成本，利用氣象局內(nèi)網(wǎng)，統(tǒng)一部署了云計算平臺。省人影中心根據(jù)日常業(yè)務(wù)需要，向信息中心申請了云存儲服務(wù)，將傳統(tǒng)的海量觀測資料統(tǒng)一上云。

在人影日常工作中，為了做好人影業(yè)務(wù)分析工作，提高人影作業(yè)的準確性和針對性，所用到的氣象數(shù)據(jù)成倍增長，每天的自動站、雷達、雨量、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)高達17 G左右，需不斷投資購買昂貴的硬件設(shè)備，維護成本也居高不下。而云計算存儲可以將數(shù)據(jù)儲存在云端，集中維護，通過網(wǎng)絡(luò)方便地為用戶提供實用的存儲服務(wù)。云存儲對用戶端的設(shè)備要求較低。具體到氣象行業(yè)，科研人員只要用終端設(shè)備連接到云，就可以下載到需要的數(shù)據(jù)。

表2 中部人影增雨潛力區(qū)指標

目前河南省人影中心針對云計算這種先進的IT架構(gòu)，僅僅利用了云存儲模式。基于云計算平臺，利用Hadoop工具，充分發(fā)揮云計算性能，將其應(yīng)用到人影業(yè)務(wù)中，具有更大價值。人影業(yè)務(wù)每天使用的天氣預(yù)報產(chǎn)品以及各種觀測數(shù)據(jù)，需要大量的科學(xué)計算才能給出，特別是對于模式數(shù)據(jù)，需要小型機來處理，這對于一般的省級和地市級人影部門是不現(xiàn)實的。而云計算能夠給人影工作帶來性能強大、配置靈活和成本低廉的協(xié)作與創(chuàng)新平臺，提高效率。

另外，氣象是一個數(shù)據(jù)資源豐富的行業(yè)，國家對氣象部門建設(shè)的投入力度不斷加大。雖然各單位都積累了大量的信息資源，但存在信息孤島的現(xiàn)象，缺乏一個行業(yè)、部門之間的氣象信息共享平臺，無法充分發(fā)揮信息資源的作用。同時，重復(fù)建設(shè)問題也十分突出，造成資源浪費?；谠朴嬎愕哪Ｊ綄⒑芎玫亟鉀Q這個問題。對于人影行業(yè)和航空、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利部門之間可以創(chuàng)建部門云，各部門把資料放在同一云中，資料共享，共同合作，協(xié)同工作，各取所需。對于不同級別的省市縣人影部門同樣可以在一個云中共享資料和數(shù)據(jù)，降低建設(shè)成本。

3 結(jié)束語

云計算作為一種新型的計算模式，具有計算性能強大、部署快速簡單、投資成本低廉的優(yōu)勢，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界得到了快速的推廣和發(fā)展。人工影響天氣業(yè)務(wù)在防災(zāi)減災(zāi)、改善生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著越來越重要的作用，在實施人工影響天氣作業(yè)過程中，首先需要對大量的雷達、衛(wèi)星等觀測數(shù)據(jù)進行詳細的分析與復(fù)雜的模式計算，才能得到精確的分析結(jié)果。而傳統(tǒng)的計算方式都是采用PC機、服務(wù)器模式，隨著對人影作業(yè)時效性和準確性要求的提高，需要分析的觀測數(shù)據(jù)量越來越大，模式計算復(fù)雜程度越來越高，傳統(tǒng)的計算方法已經(jīng)無法滿足計算需求。如果能將高效先進的云計算模式引入到人影業(yè)務(wù)中，將大大提高計算的時效性和準確性，對作業(yè)潛力區(qū)的分析更加精準，從而使得人影作業(yè)更加有效，可以提高人影作業(yè)效益，使人影業(yè)務(wù)發(fā)揮更大的作用。