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《国防科学技术大学》 2011年
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数值天气预报云计算环境关键技术研究与实现

贾雄  
【摘要】:随着数值天气预报技术的不断发展,数值天气预报越来越需要大量高性能计算资源的支持。与传统数值预报相比,集合预报更是增加了初始扰动方法提高预报效果,并且每对初始样本进行模式预报是相互独立的,适合在网络环境下采用分布式的方式来组织计算,因此需要在分布式环境下以资源聚合的方式来增强集合预报的时效性。以分布式计算、资源聚合和虚拟计算为基础的云计算能够解决集合预报面临的问题。计算资源服务化是云计算重要的表现形式,云计算以服务的形式向用户提供包括应用程序、基础设施等资源,利用虚拟化技术将资源聚合、分享给不同用户,用户则利用各种终端设备通过互联网访问云计算服务。 云计算环境下数值预报面临两大问题:一是如何把数值预报中的集合预报产生的初始样本合理分配到云节点以达到时间效率的平衡的调度问题。在传统集合预报系统中,大多采取人工静态指定或者在单一节点上顺序执行的方式,降低了集合预报的时效性,并且不能动态适应节点资源的变化。二是如何将数值预报服务通过直观友好的访问方式提供给用户以提高集合预报的发展和应用范围的访问接口问题。传统集合预报多采用命令行的方式运行,同时涉及一系列复杂流程,门槛高,专业性强,交互性差,因此使用人工控制的方式效率低,给用户使用带来极大困难,从而限制了集合预报的广泛应用。 本文针对当前云计算环境下数值预报面临的问题,结合云计算的相关技术,依托数值预报系统对数值天气预报云环境下关键技术进行了研究。首先通过数值预报系统需求、功能、结构、组件、流程和设计模式等方面总体介绍了云计算环境下数值预报系统整体架构,从需求、功能角度分析了数值预报采用云计算环境的适用性及优势;从结构、组件及流程角度分析了云计算环境下数值预报系统各个模块的功能特点以及相互间的关系;从设计模式方面介绍了系统整体设计模式。 围绕数值预报中的集合预报调度问题,根据集合数值预报的模式预报任务具体计算特征,设计实现了集合预报自适应调度系统并应用到集合预报系统之中。该自适应系统是一种基于单次集合预报应用的时间与成本平衡优化的调度算法,该算法能够自适应各云节点的资源动态变化,为每对初值样本相应的模式预报任务优化地指派CPU资源数目,达到缩短预报时间的同时尽量节省计算成本的目的,提高具有大规模计算特征的集合预报的时效性,有效节省执行一次集合预报的计算成本。 针对访问接口问题,设计了数值预报云计算门户(NPCPortal),该门户包含云计算和数值预报相关应用模块,为用户提供访问云资源和集合预报服务的Web接口,有效解决了传统集合预报交互性差的缺点;在用户权限控制上,通过一种双层权限控制技术来实现数值预报云计算门户的用户权限管理;在门户表示层设计了区域选择插件domainselect帮助用户对预报区域进行可视化选择设置。在云计算环境下数值预报系统实现上,基于Nimbus部署了云计算环境。 Nimbus支持WSRF和EC2协议,WSRF提供了有状态的Web服务的开发机制,可以通过其提供的资源类来定义管理集合预报系统中的初始样本状态;基于门户框架Gridsphere实现了数值预报云计算门户(NPCPortal),通过Portlet实现了NPCPortal设计的各个模块。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP393.09

知网文化
【参考文献】
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