GRAPES全球格点模式的并行计算负载平衡策略

随着高性能计算机技术的发展和应用,并行计算已成为保证数值天气预报模式业务运行时效的关键技术之一.目前高性能计算机计算能力已达到每秒千万亿次浮点计算.系统中处理器数量也早已达十万甚至更多,如此巨大的计算资源对应用软件系统的设计也提出了挑战.数值天气预报软件系统要充分利用高性能计算机提供的计算资源,必须依靠并行计算方法,这包括适合计算问题的可扩展并行算法的设计、合适的数据分配方案以及良好的任务负载平衡方案.作为中国新一代数值天气预报格点模式,GRAPES(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System)设计的最终目标是一个科研/业务通用,区域/全球通用模式.作为一个格点模式,GRAPES的并行计算具有与欧洲中期数值顶报研究中心谱模式并行计算不同的特点,GRAPES的并行计算采用了经典的水平网格数据划分.但对于全球的GRAPES模式,由于采用拉格朗日差分方案,模式极地及附近区域格点与格点之间距离的减小.使得模式并行计算在采用简单的经纬网格划分方式实现时,必须考虑极地区域并行计算跨越多个处理器时导致的频繁通讯解决途径.本研究提出了利用消息传递组通讯实现全球格点模式并行计算的一种方法,其核心思想是将极点附近一定区域内的处理器按纬向划归不同的处理器组.文中还给出了该实现方法的任务分配算法,提出了改进的任务分配负载平衡方案.在中国气象局高性能计算机IBM-cluster1600上的测试表明,算法具有较好的可扩展性,其负载平衡方案改善了计算的绝对墙钟时间,使并行计算效率提高10%以上.模式的准业务运行结果表明计算墙钟时间基本可以满足数值预报业务的实时性要求.     

高分辨率数值预报模式并行计算方法研究

根据计算机软硬件条件引进开发数值模式在ＰＶＭ环境下的并行版本,于１９９６年６月开始模式并行计算业务实验。结果表明：在数值预报中采用并行计算技术后,其ＣＰＵ加速比达到３．２１,并行效率达８０％,模式并行计算版本运行基本稳定,计算结果与串行计算结果基本一致。     

兰州区域气象中心暴雨增强数值预报业务系统

兰州区域气象中心暴雨增强数值预报业务系统包括资料处理，质量控制、客观分析、模式预报、图形处理及显示、评分检验和作业流程控制等。由于业务系统采用了先进的并行计算技术，同时对模式结构和部分物理过程进行了改进，使模式的分辨率得到了大幅度的提高。     

层次分解并行计算法在TOVS资料中尺度分析中的应用

应用层次分解法在IBM4381-P03型双CPU计算机上，对NOAA-11极轨气象卫星的垂直探测器（TOVS）反演产品中的15个标准气压层上的高度及温、湿度资料进行并行的中尺度客观分析计算。其结果表明:并行计算比串行计算节省作业的执行时间（Execute Time）45%—62%，节省作业的CPU时间（Central Process Unit）约40%，其加速比为3.28。     

并行效率的初步研究

用有限区域中尺度差分网格模式，采用分区域并行计算方法，在TRANSPUTER并行计算机上研究大规模并行计算中计算问题复杂度与并行计算效率的关系。结果表明，采用适当的并行计算法，增加处理机个数和计算问题的复杂度可使并行加速比增大；并行效率则随着处理机个数的增加而降低，随着计算问题复杂度的增加而提高；大规模并行计算能明显地提高计算速度，很适合于解决大量计算的问题，在数值预报方面具有广阔的发展前景。     

利用WRF模式进行高性能计算机并行计算评测

在大规模集群高性能计算机系统上进行WRF模式并行计算测试,研究WRF模式不同水平分辨率和垂直分辨率与并行计算时间、并行加速比和并行效率的关系。测试结果表明,随着并行计算使用计算核心个数的增加,并行计算时间减少,并行加速比增大,并行效率则降低;在使用计算核心个数相同的情况下,随着水平分辨率的提高,WRF模式并行计算时间增加,并行加速比增大,并行效率也提高。     

原始方程模式多处理器的并行计算方案设计及试验

本文介绍并行处理器(Transputer芯片)的性能和特点，及其对微机功能扩充上的应用。结合气象问题，设计了五层原始方程数值预报模式的并行计算方案。经过试验，计算速度明显提高，结果正确可靠，从而为省级气象部门的数值预报业务化及科学研究提供了一条有效途径。     

基于WebGIS的内蒙古人工影响天气区域联防平台的设计与实现

为了实现人工影响天气区域联防作业模式,利用Web GIS技术,设计研发了内蒙古人工影响天气区域联防平台,由综合监测、作业指导、空域申请、作业监控和效果分析等5个模块组成。平台满足了自治区、盟市、旗县和作业点的业务功能需求,涵盖了监测预报、作业监控指挥、效果计算和信息上报等人工影响天气各阶段业务功能,同时打通了相邻作业单位之间的信息传递通道,实现了天气系统上下游地区的互联互通和重点作业潜力区的联合作业模式,为提升人工影响天气作业能力提供了技术支撑。     

2009年飞机人工增雨作业抗春旱效益评估

本文介绍了人工增雨作业效益的一种评估方法——区域雨量对比法,以及该方法在实际业务工作中的应用：统计了2009年春季四川省飞机人工增雨的作业情况,采用区域雨量对比法对每次作业进行效益计算,得出每次作业的影响面积、影响区降水、对比区降水、增雨量、增加的降水量等,根据春旱期间的降水情况与旱情缓解情况,对人工增雨抗春旱的效益进行了分析评估,并尝试计算出缩短春旱的持续时间,给出了评估结论,并对该方法的应用进行了讨论。该评估方法对于人工影响天气业务工作,具有一定的实用性和可操作性。     

2009年飞机人工增雨作业抗春旱效益评估

本文介绍了人工增雨作业效益的一种评估方法——区域雨量对比法,以及该方法在实际业务工作中的应用:统计了2009年春季四川省飞机人工增雨的作业情况,采用区域雨量对比法对每次作业进行效益计算,得出每次作业的影响面积、影响区降水、对比区降水、增雨量、增加的降水量等,根据春旱期间的降水情况与旱情缓解情况,对人工增雨抗春旱的效益进行了分析评估,并尝试计算出缩短春旱的持续时间,给出了评估结论,并对该方法的应用进行了讨论。该评估方法对于人工影响天气业务工作,具有一定的实用性和可操作性。      

Upper Limit of Iodine Oxide in the Lower Stratosphere

It has been suggested that iodine oxides, IOx, could play a significant role in the ozone destruction in the lower stratosphere. To investigate this suggestion, spectra from nine SAOZ uv-visible spectrometer balloon flights were examined for the IO absorption signature between 405 and 450 nm. IO was not detected, either at mid- or high latitude, in the morning or the evening, in summer or winter. An upper limit of 0.2 parts per trillion by volume (pptv) at 20 km and 0.1 pptv at 15 km at the 95% confidence level (2), was derived from the best measurements at 90° SZA at sunset and sunrise. Since a photochemical model shows that 70% of inorganic iodine should be in the form IO at that time, it is concluded that unless iodine chemistry is different from that assumed at the moment, the role of iodine in stratospheric ozone depletion is small.     

青藏高原唐古拉山南北坡夏季风降水特征的对比分析

根据GAME-Tibet加强观测期间 (1998年5~9月) 所得到的位于青藏高原唐古拉山北坡的D105站和南坡的WADD站夏季风降水资料, 对唐古拉山南北坡夏季风降水特征进行了初步的对比分析.结果表明两地夏季风降水频率较高.在1998年6月25日~9月19日, WADD站的降水量比D105站的降水量多48.8%, 而发生的降水次数在WADD站比D105站多10次, 两者的累积降水次数基本上差不多.同时, WADD站平均降水强度高于D105站.这两地的夏季风降水存在明显的活跃期和中断期, 7月中旬夏季风降水都不活跃.大多数情况下, 这两地的日降水量的变化有较为一致的趋势, 表明两地降水可能受同一降水过程的控制.9月初以后, 夏季风降水已明显减弱.     

Comparison of Two Closely Located Meteorological Measurement Sites and Consequences for Their Areal Representativity

We compare meteorological data collected at the Met Office Research Unit, Cardington, UK with similar data from a temporary meteorological station located approximately 8.5 km away. Data were examined for a period of 10 months to ascertain differences in mean quantities, and in heat and radiation budgets, at different heights between the two locations, one of which is located in a wide shallow valley, the other on a plateau at the valley edge. Results reveal that screen-level variables at the two sites show the greatest differences in mean quantities, for most conditions, but that at 50 m the differences are negligible, indicating that temperatures had become aggregated and homogeneous at that height. For flux measurements between 10 and 50 m, however, significant differences were observed at certain times of the year, which appear to be related to local vegetation and soil conditions, and these are discussed. The study also presents data for stable conditions that show that temperature differences at screen level are again the most significant difference between the two sites. On average these were not large, but on occasions discrepancies at low levels (up to approximately 10 m) as large as 5°C were observed. It is thought that these greater differences during stable conditions may be caused by cold air pooling at the valley site, despite the very shallow orography there. Data from the two sites have been compared with forecasts from two Met Office mesoscale models. Results show that, during daytime hours, model-predicted values lie outside the range of values observed at the two sites, indicating a possible model bias. However, the opposite was true for most nighttime hours, during which model values fell within the range observed at the two sites, indicating that at night the model predictions are representative of the region. In this case, however, comparison of the model prediction with either one of the available observations could lead to the false conclusion that the model temperatures were either too high or too low, depending on which observational site was used for the comparison.     

地面气温对微环境空间差异的响应——以漠河站为例

测站附近微环境条件对地面气温观测记录的影响目前还不清楚。本文对2010年漠河国家基准气候站地面观测对比试验数据进行了分析,得到如下结论:(1)年平均地面气温近障碍物点低于标准观测场内,但1、6月的月平均气温近障碍物点偏高;(2)06:00—17:00和21:00,近障碍物地点的气温偏低;18:00至次日05:00(除21:00),近障碍物点气温偏高;(3)春季各时次近障碍物点地面气温均偏低;夏季06:00—17:00近障碍物点气温偏低,18:00至次日05:00相反;秋季仅01:00、03:00、19:00、23:00近障碍物点气温偏高,其他时次相反;冬季07:00—19:00近障碍物点气温偏低,20:00至次日06:00相反。冷季近障碍物点气温偏低;暖季昼间近障碍物点气温偏低,夜间相反;(4)日最高、最低气温出现时间不同地点大体相同,最高气温近障碍物点偏低,最低气温近障碍物点偏高,但最高气温偏低绝对值大于最低气温偏高绝对值;(5)有雾情况下近障碍物地点的气温偏高几率大;雨雪多云天气近障碍物地点气温均偏低;晴朗的白天近障碍物地点的气温偏低,有风天气更明显;而晴朗的夜间近障碍物地点气温偏高,无风天气更明显;晴朗天气条件下,无风时近障碍物地点与观测场内气温差值大于有风时。结果表明,地面气温观测记录对台站观测场附近微环境改变十分敏感,微环境条件的变化将导致地面气温观测出现明显不连续性,对气候变化分析产生影响。     

大气污染对太行山中部地区地表风的影响

为了研究大气污染对太行山中部地区地表风的影响,我们对阳泉、榆社(高山站),石家庄、邢台(平原站)4个站点1966~2005年间的能见度、近地面温度、近地面风速数据进行了统计计算与趋势分析。结果显示:在平原站能见度相对山坡站下降更加明显的背景下,平原站的近地面温度、近地面风速、850hPa风速都呈下降趋势;而山坡站的近地面温度、近地面风速呈上升趋势。分析表明:(1)由于气溶胶的辐射效应与冷却效应,抑制了垂直通量的上下传输,致使平原站下午的近地面气温呈下降趋势,平原站和高山站的地表风速呈相反的变化趋势。(2)平原站850hPa (与高山站高度相近)风速呈现下降趋势,印证了高山站的近地面风速增加是气溶胶的辐射效应减弱了垂直能量交换造成的。      

Comparison of Submicron Particles at a Rural and an Urban Site in the North China Plain during the December 2016 Heavy Pollution Episodes

An extensive field experiment for measurement of physical and chemical properties of aerosols was conducted at an urban site in the Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS) in Beijing and at a rural site in Gucheng (GC), Hebei Province in December 2016. This paper compares the number size distribution of submicron particle matter (PM1, diameter < 1 μm) between the two sites. The results show that the mean PM1 number concentration at GC was twice that at CAMS, and the mass concentration was three times the amount at CAMS. It is found that the accumulation mode (100–850 nm) particles constituted the largest fraction of PM1 at GC, which was significantly correlated with the local coal combustion, as confirmed by a significant relationship between the accumulation mode and the absorption coefficient of soot particles. The high PM1 concentration at GC prevented the occurrence of new particle formation (NPF) events, while eight such events were observed at CAMS. During the NPF events, the mass fraction of sulfate increased significantly, indicating that sulfate played an important role in NPF. The contribution of regional transport to PM1 mass concentration was approximately 50% at both sites, same as that of the local emission. However, during the red-alert period when emission control took place, the contribution of regional transport was notably higher.     

西江流域面雨量与区域大气环流型关系

利用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法,对西江流域1971—2015年逐日平均850 hPa和500 hPa高度场进行环流客观分型,分析流域降水天气环流型出现概率及主导环流型变化特征,探讨主导环流型对西江流域总面雨量和子流域面雨量的贡献率及环流型配置与降水的关系。结果表明:当850 hPa为西南风型、500 hPa为西风型时,流域出现降水天气的概率最大;850 hPa气旋型和500 hPa西风型对年总面雨量和各子流域面雨量的贡献率均为最大,且对东部子流域面雨量的贡献率大于西部子流域,850 hPa南风型与500 hPa反气旋型的环流配置是西部子流域秋季降水偏多的主导环流型配置;春季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、夏季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、秋季850 hPa南风型与500 hPa反气旋型、冬季850 hPa西南风型与500 hPa西风型的环流配置时,出现强降水天气的概率分别为18.7%,21.1%,4.0%和2.0%,即夏季最大,其次为春季,冬季最小。近45年,850 hPa气旋型、500 hPa西风型对流域年总面雨量的贡献率呈增加趋势,是西江流域面雨量呈偏多趋势的主导环流型。     

青藏高原大气水汽探测误差及其成因

青藏高原大气水汽分布对区域天气气候有很大影响,其探测资料的可靠性备受关注。以地基全球定位系统(GPS)遥感的大气可降水量为对比参照,分析了1999—2008年拉萨和2003年那曲探空观测大气可降水量的误差及其原因。结果表明,近10年拉萨站探空观测的可降水量比GPS遥感的可降水量明显偏小,偏小程度随使用不同的探空仪而异。GZZ-2型机械探空仪和GTS-1型电子探空仪多年平均的大气可降水量相对偏差分别为8.8%和4.4%,随机误差分别为19.8%和13.3%。近10年大气可降水量探测偏差具有减少的趋势,从12.7%减少至2.4%,主要是由探空仪性能改进所致。分析发现青藏高原大气可降水量探测偏差具有明显的日变化,12时(世界时)比00时大。拉萨站GZZ-2型和GTS-1型探空仪在12时多年平均的大气可降水量探测偏差分别为15.8%和8.3%,00时分别为1.6%和0.5%。那曲站GZZ-2型探空仪在12和00时的大气可降水量探测偏差分别为12.4%和0.3%。大气可降水量探测偏差还具有季节变化,夏季大,冬季小。对大气可降水量探测偏差日变化和季节变化的成因分析表明,12时气温比00时气温高以及夏季比冬季气温高是造成大气可降水量探测偏差日变化和季节变化的重要原因。     

青藏高原探空大气水汽偏差及订正方法研究

水汽是大气的主要成分和降水的主要物质来源.青藏高原大气水汽分布对区域天气和气候有很大影响,为了探讨探空观测的大气水汽总量（R）资料的可靠性,本文以地基GPS遥感的大气水汽总量（G）为参照标准,对拉萨（1999~2010年）和那曲（2003年）的R进行对比分析和偏差（R-G）订正.结果表明:近10多年拉萨站R比G明显偏小,偏小程度随使用不同的探空仪而异.GZZ-2型机械探空仪和GTS-1型电子探空仪多年平均的PW偏差分别为-8.8%和-3.9%,随机误差分别为17.6%和13.6%.近10多年PW偏差变化呈减少趋势,这与探空仪性能改进有关.分析发现,青藏高原PW偏差具有明显季节变化和日变化特征,夏季比冬季明显,1200 UTC比0000 UTC明显.拉萨站GZZ-2型和GTS-1型探空仪在1200 UTC多年平均的PW偏差分别为-15.8%和-7.3%,在0000 UTC分别为-1.6%和-0.4%.那曲站GZZ-2型探空仪在1200 UTC和0000 UTC的PW偏差分别为-12.4%和-0.3%.分析还表明,太阳辐射加热与气温的日变化和季节变化是造成高原PW偏差日变化和季节变化的重要原因.据此,提出了高原PW偏差的订正方法,并以拉萨和那曲站为例进行PW偏差订正,订正后的PW系统偏差显著减少,随机误差也相应得到了改善.     

20世纪90年代以来广西重大水旱灾害回顾

简略描述20世纪90年代以来广西气象灾害情况,较为详细地分析了造成广西严重灾害的暴雨洪涝、干旱、热带气旋的分布特征及灾害损失情况。结果显示,1994年气象灾害直接经济损失最大;1994年是新中国成立以来暴雨洪涝灾害最严重的一年,其它特大暴雨洪涝发生在1996、1998、2001年和2005年;特大干旱损失最严重的是2003年;出现热带气旋最多的年份是1994年,2001年的灾损最严重。