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数据同化合作开发集成系统:通往共享协作开发之路

已有 2137 次阅读 2020-12-22 15:30 |个人分类:文章|系统分类:海外观察

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2019年7月第三期JEDI培训班结业


上个世纪70年代,世界气象组织(WMO)与国际科联(ICSU)共同提出了气候系统的概念,是一次极具战略眼光的判识,为地球系统相关领域的研究拓展了广阔空间,起到了积极的推进作用。同时,如何对这一包含大气、水、冰冻、岩石和生物五大圈层的复杂系统进行综合分析和模拟计算,特别是设计包括各圈层相互作用复杂过程的系统模式,成为相关领域科学家必须面对的严峻挑战。

 

近年来,地球系统逐渐成为更为流行的概念,尽管对如何界定其内涵尚有分歧,但这一可以涵盖更为广泛要素的提法得到了普遍认同。世界发达国家,包括欧洲中期天气预报中心(ECMWF)都先后提出要开发地球系统数值模式的目标。20196月,WMO执行理事会在第18次世界气象大会通过了一项新的战略计划,提出要建立更为综合的地球系统方法,以应对21世纪对于互联互通需求的挑战,显然也是将其业务与研究目标拓展到更为复杂的地球系统。

 

无论是气候系统还是地球系统,不同圈层的相互影响与作用都是其重点关注的问题。而将各不同圈层资料融合同化,进行数值模拟计算分析,则又是必须面对和解决的难点。只有将各不同时空尺度的要素变化和影响耦合在一起,才有可能分析出复杂系统演变的综合效应。尽管近几十年来数值天气预报同化技术取得了显著进展,但当拓展到更为多元的系统时,仍面临复杂的难题和艰巨的挑战,需要更多熟悉不同领域的科技人员参与,共同克服和解决。

 

参与度的扩充是必然的,但也会使各类不同技术与方法在结合时产生适应性障碍,甚至在解决同样问题时,如何评价不同方法的优劣和效果也存在不确定性和难度。为了能使不同团队或个人的合作更为顺畅,提升解决问题的效率,为解决相同问题提供不同方案选择,美国卫星数据同化联合中心(JCSDA)牵头启动了数据同化合作开发集成系统(The Joint Effort for Data assimilation Integration,简称JEDI)项目,旨在改变传统的数值模式同化系统研发的建模方式,为不同团队之间的合作提供更为顺畅的方式和灵活的工具,在共同的平台上实现技术、方法、工作流程、开发工具的互通和共享。JCSDA是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、美国国家航空航天局(NASA),美国海军、空军以及大学等联合参与的研究中心,由美国大学大气研究联合会(UCAR)负责管理运行。

 

JEDI通过面向对象的软件编程(OOPS)技术,基于ECMWF的面向对象的预报系统(Object-Oriented Prediction System),构造统一资料同化系统框架平台,至少在如下方面体现出优越性:一是采用现代软件工程的实践方法,建立有利于不同团队协作开发的工作环境和流程,使不同领域、不同背景的研发人员按标准化方式专注于各自所擅长的各类组件设计,实现地球系统数据同化系统中各独立软件单元能有效对接;二是通过面向对象系统设计,JEDI从结构上解决了大量数据同化基本算法的通用问题,使对地球系统不同分量数据同化计算的应用组件能按照标准的数据接口方便、灵活地互联、互通、互换。无论是系统的开发者还是一般的应用人员,都可以根据需要对不同程序组件进行选择,并对结果进行比较检验;三是利用封装技术,将观测算子和具体模式分离,利用泛型编程技术,实现资料同化的各种算法,如三维变分、四维变分、集合卡尔曼滤波等,改进系统的可扩展性,减少重复代码,降低开发和维护成本;四是在算法实现和系统构建时,充分考虑计算平台的未来发展趋势,如人工智能、云计算、混合高性能计算机体系结构,特别是考虑GPU等各类加速器在数值计算中的应用。

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20201028日,JCSDA正式宣布推出JEDI的第一个公开开源版本,向实现预期目标迈出了坚实的一步。这个1.0版本只发布了美国最新全球模式框架FV3的接口,可以应用于不同的计算平台,从笔记本电脑到超级计算机,并可方便地与其他模式接口和加入新的观测系统。对JEDI的理解和掌握显然不会是简单的事,为此JCSDA专门开展了有针对性的培训,已举办了五期培训班。学员可以通过实践和听课来逐步理解JEDI,并逐步达到熟练使用的目的,并可以向开发者反馈在应用中发现的问题。这显然是一个有效的举措,可以达到促进JEDI的推广和改进的双重目标。

《中国气象报》


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