气象科技管理信息系统

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行业专收成果综述-亚洲大范围降水和气温异常成因的动力诊断和数值模拟平台

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/10/22 11:22:56   标签:   浏览次数:669

项目编号GYHY201406019

研究周期2014年1月-2016年12月

国拨经费253万元

项目负责人】张正秋

项目骨干成员】祝从文、温敏、苏京志、陈军明、容新尧、刘舸、辛羽飞、陈昊明、李多、颉卫华、刘伯奇、蒋宁

项目承担单位】中国气象科学研究院

项目协作单位】国家气候中心

主要研究成果

1)亚洲大范围降水和气温异常成因的动力诊断和数值模拟平台

通过可视技术建立了亚洲大范围降水和气温异常成因的动力诊断平台。通过该平台,客户端使用远程交互界面,输入相关参数,之后提交命令,运行远程服务器中的各种计算程序。同时,服务器中,通过各种脚本命令,调用超级计算机中的气象数值模式。通过PC 客户端-服务器-超级计算机三者之间数据流的双向通信传输,实现气象动力诊断分析和数值模拟。

该平台分为三个核心技术集成:一是:可视化远程交互控制管理和界面设计;二是:客户端远程可视化分析;三是:云端计算技术集成。

云端服务器中的集成模块及基本功能包括:1)数据更新备份模块。进行资料远程查新和下载,实现模块的实时自动运行。2)动力诊断模块。在统计诊断分析的基础上,开发了动力学诊断分析模块,主要包括水汽通量、大气热量、大气能量、大气角动量、波通量等物理量的诊断计算和绘图。该模块适用于再分析资料和模拟结果。3)多模式数值模拟模块。采用多模式进行集合试验的数值模拟技术,开发了海温、海冰强迫异常的数值模拟模块。4)模拟结果分析模块。模式输出结果的标准化后处理模块,形成模拟结果与观测/再分析资料之间及不同模式结果之间的对比分析,实现模拟结果的诊断分析和图表绘制。

2)气象应用可视化远程交互操作平台

气象业务是典型的科研型业务,提高科研成果的转化效率是提升气象业务能力和水平的关键之一。目前的气象中试平台采用固化框架,阻碍了科研成果向业务应用的及时转化。为搭建更高效的中试平台,我们研发了具有自主知识产权的气象应用可视化远程交互操作平台。基于自主研发的远程交互系统,该平台为用户提供了可二次开发的设计框架,能够实现可视化的用户自定义页面设计、图形编辑和效果渲染、控件排版、控制脚本编辑等功能。该平台包含了自行设计的远程交互控制脚本语言,该语言集成了多种远程数据交换通讯协议,简化了跨硬件、跨操作系统、跨编译环境远程交互控制的操作流程。该平台具有友好的设计环境,包含多种设计交互界面的开发工具,为用户提供了灵活创建开放交互界面的接口。借助该平台,科研人员可实时共享研究成果,不仅提高了科研成果向业务应用的转化时效,更为业务部门便捷使用最新科研成果提供了技术支持。该平台为科研和业务人员提供了开展数值模拟、天气和气候诊断分析、气候预测等工作的可视化操作。

3)气候诊断和数值模拟集成分析系统

本系统为“气象应用可视化远程交互操作平台”可视化客户端,提供了友好的客户与远程交互操作界面。该系统可以进行远程交互界面管理,图像界面显示、图形界面和图形文件管理。并可以进行图形合成、分割,为气候诊断和数值模拟结果显示和分析结果的分类、比较等提供了有效的管理方法。实现了客户远程控制、交互和资源共享等可视化操作。通过多用户注册,使用每个客户可以管理自己在远程服务器中的文件夹。同时,可以挂接用于不同用途的子系统。本系统与“气象应用可视化远程交互操作平台”系统配合使用。其中前者面向客户,后者面向科研人员或气象服务提供部门。通过后者提供服务和前者的应用,实现科研成果快速向气象(气候)业务应用转化,为科研成果快速转化业务应用提供有力支撑。同时,通过该系统,科研部门或气象服务部门可以为其他应用或服务部门提供服务接口、远程控制、监测等服务。

4)中点反射随机非线性规律模拟系统

非线性变化在大气物理过程普遍存在。使用现有观测资料,不能使用传统的线性拟合方法获得大气物理变量的非线性变化描述。为此,基于现代算法思想,使用已有的观测资料、随机函数、下山算法等技术,设计了一种中点反射随机非线性规律模拟系统。使用该系统从已有的观测数据系列中,可以自动找出一种最佳非线性拟合数学公式。使用可视化操作和检测,可以避免传统现代算法计算解的早熟现象,大大提高所寻求非线性模型的准确性。

传统的方法只能从观测资料中得到数据的变化特征,不能使用数学公式进行精确表示,而本系统算法可以从观测数据中获得精确的数学表达式,其中包含观测数据的各种变化特征,如各种变化周期、位相等,因此,便于数值模式中物理过程的参数化、数值预报、诊断分析、气象人工智能等。

5)数值模拟自动化运行的远程监控方法及系统

目前,诸多数值模拟因计算量较大,一般需要在大型超级计算机上实现。在超级计算机上进行数值模拟的各个进程中,多需要人工监管与干预。而对数值模拟的人工操作,不仅消耗大量人力,而且常常由于偶尔的人为疏忽或错误,导致作业停滞或数据遗漏,进而不得不重新补交数值模拟作业,延缓了数值模拟进程。由此看出现有的数值模拟运行监管的方法不满足实际的应用需求。本发明的目的在于提供数值模拟自动化运行的远程监控方法及系统,以解决上述的问题。

本发明的实施例提供的数值模拟自动化运行的远程监控方法及系统,通过本地服务器实现在远程超级计算机上进行数值模拟的作业提交、作业监控、数据传输等的自动化监控过程。利用该方法能够降低数值模拟的人力成本,同时减少作业运行错误带来的损失,提高数值模拟效率。因此本发明实施例的数值模拟自动化运行的远程监控方法及系统更能满足实际的应用需求。

本项目申请国家发明专利2 项,其中1 项专利已授权,1 项专利正在进行实审。获得4 项国家版权局软件著作权证书,出版了2 部著作,正式发表5 SCI 论文。

 

成果应用情况

    使用该平台,气候所次季节至季节研究团队及时分析了2018-2019年发生的具有强烈社会影响的极端气候事件,撰写了数篇决策服务材料,上报中国气象局,同时发表了一系列SCI 学术论文,获得了国际同行的认可。例如,在针对2018 7 月东北亚地区频发的极端高温热浪事件的决策服务中,该平台的资料下载和备份模块及时获取了最新的观测数据,而动力和热力学诊断模块和温度异常分析模块迅速绘制了此次事件的演变特征和异常环流图。随后,数值模拟和可视化模块成功模拟了北大西洋“三极子型”海温异常在此次连续极端高温过程中的关键作用。所得结果及时通过决策服务材料上报中国气象局,获得局领导的高度重视(见中国气象科学研究院决策服务信息专报2018 年第2 期,总第127 期)。同时,相关研究工作已在SCI 期刊《Journal of the Meteorological Society of Japan》发表(Liu, B., C. Zhu, J. Su, S. Ma, and K. Xu,2019: Record- Breaking Northward Shift of the Western North Pacific Subtropical High in July 2018. Journal of the Meteorological Society of Japan., 97, 913-925.),并获得2019 JMSJ Award 日本气象学会2019 年优秀论文奖,http://jmsj.metsoc.jp/awards/index.html #2019),编委会认为该工作是“第一个对2018 7 月东亚极端高温事件成因的科学报道,其结论具有很好的创新性和很强的社会影响力”。

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