論“東數西算”對氣象行業(yè)的影響

周勇 ,郭轉轉＊ ,曾沁 ,郝伊一

1.中國氣象局氣象發(fā)展與規(guī)劃院，北京 100000

2.中國氣象局預報司，北京 100000

引言

2022 年2 月17 日，國家發(fā)展改革委、中央網信辦、工業(yè)和信息化部、國家能源局等4 部門聯合印發(fā)通知，同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝，以及內蒙古、貴州、甘肅、寧夏等地啟動建設國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃了10 個國家數據中心集群，“東數西算”工程全面啟動。“東數西算”工程是我國從國家戰(zhàn)略、技術發(fā)展、能源政策等多方面出發(fā)，啟動的一項國家重大工程，對于優(yōu)化我國算力資源空間布局、提高數據資源利用效率、推動東西部協調發(fā)展等均具有重要戰(zhàn)略意義。氣象本身有著與生俱來的信息特征，氣象行業(yè)時刻都在與數據打交道，是高度依賴數據和算力的行業(yè)，因而，也必將受到國家“東數西算”工程的影響。深入研究“東數西算”對氣象行業(yè)的影響細節(jié)、影響程度及應對措施，已成為氣象部門面臨的重要課題。

1 “東數西算”事關國家經濟社會發(fā)展大局

1.1 “東數西算”工程概況

“東數西算”工程是一項與“南水北調”、“西電東送”和“西氣東輸”等工程相似的國家重大戰(zhàn)略工程，其目的在于將東部算力需求有序引導到西部，國家發(fā)力、市場接力，打造全國算力“一張網”，構筑我國數字經濟發(fā)展新優(yōu)勢。據中國電子信息產業(yè)發(fā)展研究院援引相關機構測算，到2025 年“東數西算”工程10 個國家數據中心集群總投資可達4000～5000 億元。

“東數西算”工程將在八大國家算力樞紐節(jié)點建設10 個數據中心集群，具體指標對比見表1。根據地理位置和發(fā)展定位不同，可分為兩大類。一類樞紐節(jié)點是位于東部地區(qū)的京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)和成渝樞紐，所在地區(qū)用戶規(guī)模大、算力需求旺盛，主要承載實時性要求較高的災害預警、電子商務、金融證券等業(yè)務。另一類樞紐節(jié)點是位于西部地區(qū)的內蒙古、貴州、甘肅和寧夏樞紐，土地、電力和勞動力等成本低廉，且氣候適宜，是算力設備的天然冷卻場所，主要承載實時性要求較低、價格敏感度高的備份存儲、后臺加工、網站維護、離線分析等業(yè)務，分擔東部地區(qū)算力壓力。[1]

表1 “東數西算”國家算力樞紐節(jié)點及數據中心集群對比分析Table 1 Comparative analysis of national computing hub nodes and data center clusters of “Counting from East to West”

1.2 “東數西算”的戰(zhàn)略意義

新發(fā)展格局下，數據已成為新的生產要素，數字經濟成為我國經濟持續(xù)增長的重要引擎，其中算力又是數字經濟的核心生產力。“東數西算”工程旨在優(yōu)化我國算力資源空間布局、提高數據資源利用效率，對于國家、部門和社會發(fā)展都具有很強的戰(zhàn)略引領作用。

“東數西算”工程夯實我國數字經濟發(fā)展基礎。“東數西算”工程通過數據中心全國一體化布局，整體上擴大算力設施規(guī)模、提升算力使用效率，有助于全國算力的規(guī)?；⒓s化發(fā)展，將帶來集約效應，支撐我國數字社會轉型發(fā)展，加速提升數字經濟在我國國民經濟中的占比。[2]

“東數西算”工程有助于促進區(qū)域協調發(fā)展。算力設施由東向西布局，將帶動相關產業(yè)有效轉移，促進東西部數據流通、價值傳遞，在延展東部發(fā)展空間的同時，為西部地區(qū)轉型發(fā)展注入新動力。

“東數西算”工程發(fā)揮綠色低碳示范效應。算力樞紐西遷，可充分發(fā)揮西部區(qū)域氣候、能源、環(huán)境等方面優(yōu)勢，促進可再生能源的就近消納，通過數據、算力和能源的高效聯動，為新型基礎設施綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展提供示范。[3]

2 氣象行業(yè)高性能計算系統建設情況

2.1 氣象行業(yè)高性能計算技術發(fā)展歷程

氣象行業(yè)是高性能計算的重要應用領域，高性能計算技術有效突破了氣象數值預報模式發(fā)展的局限，在氣象預報預測業(yè)務中發(fā)揮著至關重要的支撐作用。與此同時，氣象業(yè)務對高性能計算能力的需求反過來促進了高性能計算技術的快速發(fā)展。自20世紀70 年代高性能計算機問世以來，氣象行業(yè)始終是高性能計算機的應用大戶，各國氣象部門紛紛建立了適應自身氣象業(yè)務實際的高性能計算機系統。中國氣象局也是自1978 年建設第一臺高性能計算機系統以來逐步發(fā)展數值預報業(yè)務。從20 世紀90 年代自建的銀河II、神威I 到神威4000、IBM P460，再到曙光系列，計算能力呈指數級增加。與此同時，氣象部門還租用了大量的社會上高性能計算資源，如天河I、天河II 等。在高性能計算的助力下，中國數值預報蓬勃發(fā)展，讓中國躋身世界為數不多發(fā)布中期數值預報的國家行列。[4]

2.2 氣象行業(yè)高性能計算系統建設現狀

為支撐數值預報模式的快速發(fā)展，國外氣象部門的高性能計算機系統更新速度較快，高性能計算能力已達每秒千萬億次（PFLOPS）。目前，全球主要發(fā)達國家的氣象部門高性能算力情況如下：韓國氣象廳53.8PFlops，歐洲中期天氣預報中心45.3PFlops，美國天氣局32.9PFlops，美國大氣研究中心30.5PFlops，法國氣象局25.9PFlops，日本氣象廳18.3PFlops，英國氣象局14.2Pflops。而中國氣象局高性能計算機峰值運算能力為9.8PFlops，在國際同行業(yè)的排名下降到第8 名（2018 年，中國氣象局新一代高性能計算機系統“派-曙光”計算能力達到8.2PFlops，中國氣象局高性能計算機系統總體規(guī)模躍居氣象領域世界第二位，僅次于英國氣象局）。氣象專業(yè)數據存量約35PB，隨著全天候、高頻次、高精度地球監(jiān)測衛(wèi)星的上天，以及高時空分辨率數值天氣預報模式的發(fā)展，氣象專業(yè)數據量快速增長，目前增量約7PB/年。我國氣象高性能計算能力不僅遠遠落后于國外發(fā)達國家，且面臨海量氣象數據存儲需求，存在巨大壓力。[5]

由于數值天氣模式研究和業(yè)務運行對計算資源的強烈需求，國內外氣象領域高性能計算機及應用技術迅速發(fā)展起來。氣象行業(yè)對高性能計算能力及系統的可靠性需求日益提升。

圖1 氣象行業(yè)高性能技術發(fā)展歷程Fig.1 Development history of high performance technology in meteorological industry

2.3 氣象行業(yè)高性能計算發(fā)展趨勢

近年來，氣象業(yè)務與科研對計算能力的需求與日俱增，高性能計算機系統已經成為提升氣象部門數值天氣預報能力的關鍵因素?！丁笆奈濉睔庀笮畔⒕W絡業(yè)務發(fā)展規(guī)劃》明確“到2025 年建成總峰值運算能力不低于200PFlops 高性能算力”，《“十四五”數值預報業(yè)務發(fā)展規(guī)劃》提出“應用異構眾核高性能計算技術，開展天氣氣候一體化模式”。由此可見，隨著數值天氣預報模式的發(fā)展、地球氣候系統模式的研發(fā)，不僅對高性能計算能力提出新需求，還對高性能技術架構提出新目標。在“十四五”時期，強化高性能計算系統對氣象業(yè)務發(fā)展的支撐能力將是中國氣象局的重點建設任務。[6]

3 “東數西算”對氣象高質量發(fā)展有重要影響

“東數西算”工程將影響氣象信息系統建設方式、系統布局和指標設定，并進而影響到全國氣象業(yè)務布局。

3.1 對氣象信息系統建設提出新要求

一方面，“東數西算”工程等一系列政策、方案的出臺，進一步完善了國家對信息化“新基建”的頂層設計，指向性和指導性非常明確，各部門在設計建設信息系統時的“自由空間”收窄，建設規(guī)模、布局和指標等都將受到更多約束，相關工程審批要求增多、難度加大。另一方面，在“東數西算”工程建設中，政府主要發(fā)揮指揮和引領作用，企業(yè)將是工程建設的主力軍，這對氣象信息系統建設方式也有示范作用，要更多依靠社會力量，租建結合、提高性價比。[7]

3.2 影響氣象數據中心和超算中心布局

從國家層面上看，數據中心的適度聚集，有利于降低建設和運行維護成本、提高效益。所以，國家信息中心、應急管理部、公安部等單位的主備數據中心選址，大都與“東數西算”工程八大國家算力樞紐節(jié)點一致，具體模式和選址見表2?！丁笆奈濉睔庀笮畔⒕W絡業(yè)務發(fā)展規(guī)劃》中提出“北京主中心-西安備份中心-京外高性能計算中心”的“三地三中心”系統布局，西安備份中心建于“東數西算”工程之前，不屬于國家算力樞紐節(jié)點，但“京外高性能計算中心”的選址難免要受“東數西算”工程的影響。[8]

表2 主要單位數據中心選址表Table 2 Data center location table for major units

3.3 全國氣象業(yè)務及業(yè)務系統布局將受到間接影響

首先，在數據業(yè)務布局上，除了融入生產運營和應急減災實時過程的氣象數據（如：對時效追求永無止境的災害預警數據，以及無人港裝卸貨、城市軌道運行等實時氣象服務數據），一般延時需求都在秒級以上，都可歸為“非實時性”數據業(yè)務，可以逐步“西移”（即：向綠色低碳地區(qū)遷移）。其次，國家“東數西算”戰(zhàn)略布局，也為氣象部門提供了一個暢通全國、輻射全球的“網絡、算力、數據”一體化的國家大云，為改變當前氣象專有云與各級政府“層層對接”的方式提供了實現基礎，有望通過一點接入，實現全省、全國，乃至全球氣象服務。[9]

3.4 氣象信息系統關鍵綠色指標將會進一步提高

國家啟動“東數西算”工程建設后，氣象信息系統的電能利用效率（PUE）指標也將“水漲船高”。目前，國家級氣象高性能計算機系統的電能利用效率是1.4，國家要求到2023 年降低到1.3 以下，而“東數西算”工程提出建設的10 個國家數據中心集群中，張家口、韶關、長三角、蕪湖、天府、重慶集群的電能利用效率在1.25 以下，和林格爾、貴安、中衛(wèi)、慶陽集群的電能利用效率在1.2 以下。這表明國家對綠色低碳發(fā)展的要求不斷提高。國家發(fā)展和改革委員會審批氣象信息系統相關建設工程時，節(jié)能指標也將從嚴。

4 針對氣象行業(yè)適應“東數西算”的建議措施

基于上述分析，針對“東數西算”對氣象行業(yè)的影響，提出建議措施如下。

4.1 調整氣象信息網絡系統建設思路和方式

氣象業(yè)務高度依賴數據與算力資源。近年，氣象數據與算力資源總量快速提升、集約化程度顯著提高。但有兩個問題必須加以重視：一是過多強調氣象業(yè)務的特殊性，而對國家信息化總體部署不夠重視；二是資源不足，算力資源落后于國外，而且缺乏迭代升級所必須的穩(wěn)定投入。氣象部門要抓住“東數西算”工程建設機遇，主動加強與國家算力樞紐節(jié)點所在地方政府及相關企業(yè)的交流，掌握各地算力資源建設計劃，改變目前過度依賴部門“圈地自建”信息系統的方式，通過選/租地自建、“租設備，建系統”或直接購買算力資源服務等多種方式的組合，合理搭配使用部門自建資源與社會公共資源，盡可能多地使用公共資源承載非核心業(yè)務。

4.2 優(yōu)化氣象數據中心和超算中心布局

根據《“十四五”數值預報業(yè)務發(fā)展規(guī)劃》，測算出國家級業(yè)務模式所需高性能計算峰值運算能力到2025 年約需255PFlops，2030 年約需900 PFlops。以13 個主要數值預報業(yè)務模式為基礎，兼顧模式運行依賴關系，采用錯峰運行方式，經精確計算得出峰值運算能力需求約為176.18 PFlops，具體峰值運算能力見表3。而且，在計算中將產生大量數據，需要及時存儲。為滿足業(yè)務需求，建議：一是近期仍將堅持以自建算力資源支撐核心業(yè)務，以彌補國家超算中心與氣象業(yè)務需求間的供需缺口；二是要優(yōu)先選擇國家算力樞紐節(jié)點所在地建設氣象高性能計算中心；三是要從滿足“數算一體”應用需求出發(fā)，調整已建和待建數據存儲管理系統位置；四是要在系統設計中，提高電能利用效率指標，使之不低于國家目標要求。[10]同時，構建要素充分流通的高速網絡，使得數據中心間骨干網的速率達到20Gbps 以上，來實現數據快速交換和高速聯通。

表3 國家級主要數值預報業(yè)務模式所需理論峰值運算能力Table 3 Theoretical peak capacity required for the main nwp business models at the national level

4.3 謀劃對全國氣象業(yè)務做適應性調整

隨著數字化與氣象業(yè)務的融合日趨深入，氣象信息網絡系統布局的變化必將帶動全國氣象業(yè)務布局的調整。氣象觀測、預報和絕大部分的服務業(yè)務都可以歸類為秒級以上的非高實時性業(yè)務，其業(yè)務支持平臺符合國家“向西”（即：向綠色低碳地區(qū)）布局的條件；而突發(fā)災害預警、氣象數據驅動的生產實時調度，實時性要求高，其業(yè)務支持平臺符合國家“向東”（即：就近于用戶所在地）布局的條件，可以布局在地方政府“城市大腦”所在地區(qū)。因此，為了更加快捷高效地融入國家和地方數字經濟發(fā)展、數字社會治理和數字防災減災，建議要未雨綢繆，及早謀劃全國氣象業(yè)務布局調整方案并組織試點，漸次推進。[11]針對新的業(yè)務布局，進一步完善氣象信息安全防控體系，強化數據安全分級分類，提升氣象大數據有效治理能力。

4.4 開展“東數西算”工程氣候生態(tài)效益評估

作為類似“南水北調”的國家重大戰(zhàn)略性工程，“東數西算”工程效益如何，必將受到國內外關注?！皷|數西算”工程氣候生態(tài)效益評估目前尚處于起步探索時期，從氣候資源開發(fā)利用角度進行效益評估，或將成為氣象部門大有可為的新領域。[12]

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關系。