曙光高性能计算在气象海洋领域的应用方案

  【天极网服务器频道12月16日消息】气象、海洋预报事业关系国计民生的各个方面，近年来极端天气和极端气候频发，自然灾害增多，也对气象、海洋及相关行业的预报业务提出更高的需求。十二五期间，天气预报的准确率、时效性、精细化程度和服务水平都需要大幅度提高。数值天气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和热力学的控制方程组，预测未来一定时段的流体运动状态和天气现象的方法。随着气象模式的日益成熟、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。

  数值天气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MM5、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CMAQ、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，通过并行计算进行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、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、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5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TC3600/TC4600，刀片节点可配置双路/四路，采用最新的64位Intel或AMD处理器，注重浮点峰值和内存性能;(3)集群容错系统：关键应用可以使用曙光Clusnap集群容错模块进行系统级断点保护;(4)存储系统：目前主流的解决方案是采用分布式的并行存储系统，如曙光ParaStor 100/200，可配DBStor备份系统，实现关键数据的智能备份和保护;(5)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QDR/FDR InfiniBand，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。