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气象、海洋与环境领域高性能计算解决方案

 

气象、环境、海洋预报事业关系国计民生的各个方面,对人们的生产生活有巨大影响。近年来极端天气、重污染天气和极端气候频发,自然灾害增多,对气象、环境、海洋及相关行业的预报业务提出更高的需求。十三五期间,各类预报的准确率、时效性、精细化程度和服务水平都需要继续提高,为人们提供更好的预报结果。

气象、环境、海洋预报是指是指根据流体(大气或海洋)的物理和运动特性,在一定的初值和边值条件下,通过大型计算机进行数值计算,求解描写流体演变过程的流体力学、热力学和大气化学控制方程组,预测未来一定时段的流体运动状态和天气现象的方法。随着数值模式的日益成熟、大型计算机性能的不断提升,数值预报系统现已成为气象、海洋行业业务和科研不可或缺的支撑工具。

数值预报涉及的应用主要包括气象模式、海洋模式、气候模式、环境模式及卫星、遥感资料处理程序等。常用的气象模式包括WRF、GRAPES、AREMS、LAPS、ARPS等,常用的海洋模式包括FVCOM、ROMS、HYCOM、POP等,环境常用模式包括NAQPMS、CMAQ、CAMx、WRF-Chem等,气候模式包括CCSM3、CESM等。各种模式在流程上有一定的相似性,都包括数据前处理,主模式计算和结果后处理三部分。数据前处理包括地形和地表资料、气象预报背景场资料、各种气象观测资料(观测站、雷达、卫星等)的处理和同化,为模式计算提供边界场和初值;主模式计算是主要计算量所在,通过高性能计算机对数值方程的迭代求解,对CPU、网络和IO都有较高的需求。结果后处理是指从模式计算结果提取各种气象信息元素,并以图形、动画、网页等形式将结果呈现给气象预报人员。

气象、环境、海洋预报模式对高性能计算系统有着非常苛刻的要求:首先,模式求解有非常大的计算量,而气象预报又要求极高的实时性,模式必须在指定时间内完成运算,另一方面预报精度的不断提高,所需计算量也将成几何级上升。其次,模式计算对网络通信压力很大,多数模式采用格点有限差分法做并行计算,除了模拟域内部格点间的数据通讯,当模拟区域嵌套时还涉及母域和嵌套域之间的域间通讯,因此要求配置高速的通信网络。另外,气象过程模拟涉及海量小文件的处理,对系统IO性要求很高,要求持续的IO存储带宽,一般使用有分布式IO或者并行文件系统,否则很难有较好的加速比。

基于对应用软件的特征分析和在气象、环境、海洋领域多年的成功经验,曙光推荐如下高性能计算集群解决方案:



在硬件层面,高性能计算系统分为8个子系统:(1)登陆管理系统:采用双机架节点,实现双机热备,配置和计算系统同型号的CPU;(2)计算系统:采用高密度、低功耗、易管理的刀片服务器,如曙光TC4600/TC6600,刀片节点可配置双路/四路,采用最新的64位Intel E5或E7处理器,注重浮点峰值和内存性能;(3)并行存储系统:并行存储系统采用曙光ParaStor300分布式并行存储系统,提供大容量、高带宽的共享存储,用于计算节点的并行读写;(4)应用服务器:采用多台机架节点组成应用服务器集群,用于数据传输、发布、管理等,配备专门的应用存储系统;(5)应用存储系统:采用曙光DS800系列磁盘阵列,用于满足应用服务器个性化的存储需求,保证服务质量;(6)网络系统:管理网络采用普通千兆网络,计算网络采用低延迟、高带宽的EDR InfiniBand/OmniPath互联网络,能大幅度提高应用程序的计算速度和并行加速比。

在软件层面,曙光为气象、海洋用户配备完备的并行计算开发和运行环境,配置曙光Gridview集群监控管理及作业调度软件,包含针对不同模式软件开发的Web作业提交界面ClusPortal,可以大大降低高性能计算机的使用门槛。曙光有全国各地上百个气象行业的成功案例,可免费提供常用数值模式的安装、调试和培训服务,并配合用户完成数值预报业务系统的安装调试。



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