天氣預報中試基地支撐環境設計及建設

孟慶濤 張潤福 李萍陽 林建 張小玲

（國家氣象中心，北京 100081）

0 引言

研究與業務天生關注點的差異，導致預報業務單位引進先進預報研發技術并在實際預報業務中投入使用效果歷來并不理想[1-4]。為加快改變這種現狀，國家氣象中心于2011年開始探索科研業務結合工作，中國氣象局天氣預報科技成果中試基地（CMA Testbed and Proving Ground for Weather Forecast，TPGW，以下簡稱中試基地）也于2015年正式組建[5]。

天氣預報中試在國內屬于起步期[6]。美國國家海洋大氣管理局（NOAA）的危險天氣測試基地HWT（Hazardous Weather Testbed）開辟獨立辦公室支持研究人員、預報員和技術支持人員使用歷史資料和實時業務資料評估新的平臺和技術，NOAA的聯合颶風測試基地JHT（Joint Hurricane Testbed）建立和維護基礎設施，以便應用研究的改進及其向業務運行、通訊和顯示環境的轉化[7]。集中的仿真業務預報環境使得研究人員與預報人員的交流互動更加流暢，有力促進新技術在業務中的試驗。HWT的中試支撐環境直接促成集合預報和對流尺度數值模式在業務中的應用，也促進數值模式向高時間和空間分辨率，向對流尺度的集合預報系統的發展[7]。美國國家環境預報中心（NCEP）的風暴預報中心（SPC）的中試支撐環境促使RUC、中尺度集合預報系統和NSHARP等代表當時最高水平的預報技術快速地在業務中使用[7]。

國家氣象中心先行嘗試開展“兩個平臺”（科研開發平臺和成果轉化平臺）的建設，對中試支撐環境建設方向進行實際探索?！皟蓚€平臺”根據業務降水預報精細度欠缺和強天氣預報難度大等實際情況，在2013和2014年6—7月組織展開暖季試驗，聚焦春夏（4—9月）我國中東部暴雨和強對流天氣過程，開展支撐暖季試驗的仿真業務環境建設[5,8]，為中試基地支撐環境建設搭建良好基礎。2015年，中試基地組建前后，中試基地辦公室再次對中試支撐環境的設計和建設進行大量調研，征求專家和預報員意見，根據前期仿真業務環境建設經驗，同時考慮到業務技術量和先進技術緊缺程度，確立以中小尺度天氣預報為中試基地引進成果主要方向[5]，中試支撐環境的建設圍繞中小尺度天氣預報仿真業務環境（簡稱中試平臺）開展。

1 中試支撐環境設計思路及關鍵技術

暖季試驗初衷是通過聯合會商研討與新技術應用測試，從業務中尋找科學問題并研究解決，促進科研成果的改進和業務轉化的良性循環[8]，仿真業務環境的設計圍繞聯合會商研討和最新版本GRAPES-MESO和南京大學WRF4km等新技術應用測試展開，先后發現預報和機理問題超過30個，問題主要集中在短時強降水，雷暴大風和冰雹預報[8]。

中試基地支撐環境具體結構見圖1。其中，會商室中試平臺作為中試環境的集中操作和展示中心，部署5～6臺業務微機和工作站，可承擔引進新技術或科研成果（以下簡稱新技術）運行前段操作環境，新技術運行展示平臺和中試基地IT資源集合站（圖2）。會商室中試平臺主要聚焦于中小尺度天氣方面的實時監測，相關方面新技術的運行、測試和展示，同時提供與定量降水、強天氣預報業務崗位完全相同的操作和數據環境，科研人員和預報員可在此快速測試新技術，利用新方法進行同步仿真預報和結果分析檢驗。

圖1 中試基地支撐環境結構圖Fig. 1 The framework of the environment of TPGW

圖2 中試基地會商室中試平臺架構圖Fig. 2 The sketch map of the Testbed in the forecasting hall for TPGW

高性能計算資源依托中國氣象局高性能IBM計算資源池，由中試基地牽頭申請特定量的計算和存儲資源，用于引進對計算和存儲資源需求較大的新技術在中央氣象臺業務環境下的移植落地，準業務化運行測試和業務化運行試驗。此外，考慮到新技術運行環境多樣性，中試環境依托會商室中試平臺提供Windows Server和Linux系統計算資源，可供計算資源需求小的新技術的準業務化運行和測試。

科研業務結合檢驗系統以為引進新技術提供與業務產品的客觀檢驗結果為設計目標，對比檢驗算法全封閉和算法開放不同總框架下系統計算效率，框架可擴展性和穩定性，總體上開放式算法框架各項指標均優于封閉式算法框架。系統以開放式檢驗算法為框架核心，算法由用戶自由編寫，采用交互式B/S架構，實現靈活的業務模式產品與新技術交叉對比檢驗，同時提供詳細的客觀檢驗結果管理和繪圖分析功能，其設計思路及框架見圖3。

圖3 科研業務結合檢驗系統設計框架圖Fig. 3 The framework of the verification system for TPGW

2 中試支撐環境建設及應用

2.1 中央氣象臺會商室中試平臺

會商室中試平臺以7臺微機和8塊屏幕為主要載體。6臺機器為Windows微機，主要用于實況監測和分析預報，資料共享和小型科學計算。1臺為Linux工作站，主要用于小型新技術計算和運行。平臺建成完全類似定量降水和強對流業務預報的操作平臺和數據環境，操作環境包含常規地面和高空觀測、雷達衛星資料、模式產品、集合預報產品、MICAPS、強天氣工具箱、SWPCBROWSER（強天氣資料瀏覽器）、SWAN和中央氣象臺文字產品制作系統等預報數據和工具。平臺同時承擔SWAP（衛星天氣應用平臺）、雷達風反演系統[9]、ROSE（新一代天氣雷達建設業務軟件系統）和LAPS（面向預報成因分析的多源資料融合應用系統[10-12]）等新技術的前端操作和對外展示環境。

會商室中試平臺從2012年開始搭建，2013年初步建成，到2014年逐步完善。平臺先后承擔暖季會商值班[8,13-16]、新技術測試運行[8-14]、新產品預報試驗和中央氣象臺短期首席交流班預報環境等功能[14-16]。表1列出2013年以來中試支撐環境支持的20項引進的業務轉化科技成果概況[9-12,16-34]，覆蓋強降水、臺風、環境、強對流和災害性天氣預報等幾乎所有業務預報方向。此外，近三年（2016—2018年）平臺共支持23期聯合會商研討，會商參與人員分別來自中國科學院和中國氣象局相關科研院所、國內外高校和各?。ㄏ愀厶煳呐_）氣象部門。

表1 2013—2018年天氣預報科技成果業務轉化情況Table 1 Operational transformation of scientific and technological achievements of weather forecast in 2013-2018

2.2 中試高性能計算環境

中試高性能計算環境依托中國氣象局IBM高性能計算資源，實際可提供的計算和存儲資源按年度動態調整，依據待轉化成果計算和存儲資源需求上限，每年由中試基地向中國氣象局高性能計算資源管理部門申請適應實際需求的計算和存儲資源。目前高性能計算資源提供2個獨立計算賬戶。每賬戶可獨立利用計算CPU核心數5000，實際每賬戶最大利用CPU核心數接近10000。每賬戶可利用存儲資源17～20 TB，實際每賬戶利用存儲接近17 TB。

中試高性能計算資源2014年建成后，先后應用于美國威斯康辛大學云圖模擬系統和中國氣象局武漢暴雨研究所面向預報成因分析的多源資料融合應用系統（LAPS系統）在中央氣象臺的業務化落地和運行測試。高性能計算資源主要承擔云圖模擬系統本地化編譯改造測試，云圖模擬技術嵌入GRAPES模式產品后處理系統測試和云圖模擬產品類實況云圖顯示技術改造測試。對于面向預報成因分析的多源資料融合應用系統（LAPS），高性能計算資源承擔其本地化編譯測試，系統全流程運行測試、業務化測試和實際業務運行[10-11]，LAPS系統實時分析資料種類多，數據量大，其由華中地區擴容至全國范圍內對計算和存儲資源需求急劇升高，考慮到與中尺度數值模式并行業務應用需求，其空間時間分辨率數次升級，最終可提供1 h，東亞范圍內5 km分辨率產品。在已有計算和存儲能力制約下，中試高性能計算資源環境對5 km和1 h分辨率產品進行前后長達幾個月的實時測試，尋求系統實時運行計算資源可支持的產品最大覆蓋范圍，期望提供最大范圍的覆蓋全國的實時格點分析場（圖4）。

圖4 5 km和1 h分辨率的面向預報成因分析的多源資料融合應用系統（LAPS）產品覆蓋范圍，填色區域代表產品覆蓋最大范圍（85°—140°E，15°—54°N）Fig. 4 The covering area of the product of the LAPS represents system with 5 km and 1 hour resolution, the shaded area reprents the max covering area(85°—140°E，15°—54°N)

目前，上述新技術均已實際投入業務使用,云圖模擬技術作為GRAPES_MESO模式后處理云圖模擬產品支撐關鍵技術，面向預報成因分析的多源資料融合應用系統（LAPS）通過國家氣象中心業務化準入評審，兩者分別為預報員提供實時云圖模擬產品和高時空分辨率格點實況分析場[12]。

2.3 科研業務結合檢驗系統

科研業務結合檢驗系統2013年4月完成1.0版本，2014年12月升級至2.0版本，可實現降水和災害性天氣新技術與已有業務模式的交互式精細化檢驗。對比的業務模式產品（如T639、GRAPES、EC、南京大學WRF4km和NCEP等模式）和檢驗算法（如TS、ETS等評分）可實現頁面參數選擇并提交，系統同時對檢驗結果提供管理和編輯功能，支持檢驗結果常見繪圖形式（如柱狀圖，折線圖和餅狀圖等）展示、導出和結果出圖等功能（圖5）。

圖5 科研業務結合檢驗系統結構Fig. 5 The structure of the verification system for TPGW

該系統建成以來，2013—2014年6—7月新技術測試期間，同時為南京大學WRF4km、GRAPES3km和GRAPES_MESO等中尺度模式的測試提供過程客觀檢驗結果[8,13]，并向科學家和預報人員參與暖季試驗值班提供客觀檢驗產品和檢驗結果繪圖分析產品（圖5），以供其在上述新技術項目測試內部會商發言使用。

2.4 中試基地工作網站

中試基地工作網站建設成中央氣象臺官方網站的子網站，其訪問地址如下：http://testbed.nmc.cn。工作網站主欄目包括基地介紹、聯合分析、成果轉化、平臺建設和工作文檔，共5個主要方面內容。

3 結論與討論

中試基地支撐環境建成以來，截止到2018年底，先后服務于20項轉化成果，48期聯合會商，7期省級首席預報員強對流短時預報客座交流（DESK），參與單位包括20家省級臺站，參與人次包含70余人次科學家和31省市的33名交流首席預報員[14-16]，為中試基地的工作提供堅實的支撐環境。

1）中試基地支撐環境的建設核心是會商室中試平臺，作為集中展示平臺，其設計思路應與引進新技術主方向相適應，中央氣象臺會商室中試平臺以中小尺度天氣預報為主要方向，建成定量降水和強天氣預報為主的仿真業務預報環境和配套數據、計算和存儲支持環境，并提供詳細操作使用手冊以供研究和預報人員參考。

2）中試高性能計算資源作為引進成果的運行和測試主環境，其設計思路需要兼容并包，計算系統在盡可能情況下應兼容Windows、Linux和AIX等主流科技成果運行計算環境，并提供彈性計算和存儲資源支撐，中試基地高性能計算資源實行年度動態調整，以每年引進新成果的需求為參考，向國家氣象信息中心申請適應當年成果轉化所需的計算和存儲資源，年均計算資源保持在5000～10000核心CPU數，存儲資源保持在10～20 TB。

3）作為中試支撐環境的有力補充，科研業務結合檢驗系統設計應以交互式客觀檢驗為主要思路，提供檢驗算法開放接口，以利于研究和預報人員利用新檢驗方法對成果進行客觀檢驗和分析，系統采用B/S架構，算法開放可由用戶提供，支持新成果與已有業務模式預報產品的客觀對比檢驗，同時提供檢驗結果管理、繪圖分析等功能。

4）中試基地工作網站作為中試基地的門戶和對外宣傳窗口，其設計思路應以提供盡量多信息和方便工作內容互動為原則，網站側重提供聯合會商和成果轉化相關工作動態，技術交流和總結內容，方便預報與研究人員及時快速獲取中試相關信息。