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浪潮省级空气质量预警预报解决方案

发布时间: 2014年09月05日

  需求与挑战

  2014年2月20日开始的雾霾天气,席卷全国大部分地区,雾霾影响面积约为143万平方公里,57个城市PM2.5(细颗粒物)濒临“爆表”。雾霾天气造成了道路管制、机场关闭、企业运停等一系列不良影响,严重危害了人们的生产生活和身体健康。为了应对这一严重的环境问题,政府和环境保护管理部门采取一系列的措施降低大气污染对公众的危害。2013年9月国务院出台的《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》中,也提出要建立重污染天气预警体系。

  目前环保监测站希望基于基础数据平台建设空气质量预警预报平台,平台建成后能够实现未来7天全省地区的空气质量预报;能够预测连续3天三个城市以上的跨区域PM2.5细粒子重度污染过程。并在2个小时内及时的发布大气污染预警信息,妥善应对雾霾天气,有效保障人民群众的生命安全。

  业务应用分析

  空气质量模型近年来应用广泛,发展较为迅速,根据模型模拟的范围大小以及基本原理的不同,空气质量模型有不同的分类方式,其中应用最多的方式是根据建模数学方法,分为统计预报模式和数值预报模式。统计模型还需要大量的历史监测数据作为基础,限制很多,不利于准确预报空气质量,也难于实现污染来源解析,因此,目前国内外大部分地区都是采用数值模式作为空气质量预报的核心模式。空气质量模式,通常集合NAQPMS模式、WRF模式、CAMx模式、CMAQ模式、FLEXPART-WRF模式、WRF-Chem模式、GEOS-Chem模式中的几种模式,增加预报的准确度。

  业务流程特点分析:先取得气象模式的资料和排放源数据资料。然后数据资料进入多个空气质量预报模式,分别进行并行计算。最终各个模式产生的结果,由多模式集合预报技术产生预报结果。这些预报结果会导入到应用展示系统中,进行最终的展示发布和决策分析。

  图1—空气质量预报模式的业务流程

  空气质量预报模式特点分析:空气质量预报模式都是并行软件,经过浪潮应用分析工具,发现空气质量预报模式具有计算量巨大、通讯密集、I/O要求高等应用特征,需要采用由刀片服务器和并行存储系统组成的高性能并行计算机以满足计算需求的增长。

  解决方案描述

  浪潮省级空气质量预警预报解决方案采用浪潮领先的高性能集群方案,以预报模式支撑系统为基础,建设一套集气象与空气质量状况分析、未来空气状况预报预警功能为一体的空气质量预警预报平台。通过GIS技术实现结果的直观展示与发布,为提前掌握空气质量状况、及时发布大气污染预警信息、减少大气污染天气带来的影响提供可靠的结果与科学的辅助。

  图2—方案拓扑

  整套平台方案包括高性能集群计算区和应用系统区两大部分。高性能集群计算区采用56Gb的高速IB网络;由NX5460M4高性能刀片计算节点、八路胖节点TS860G3和浪潮并行存储系统组成,其中并行存储系统有IO节点NF5280M4和光纤存储阵列AS5300构成,整个集群将提供超过50万亿次/秒的浮点运算能力和3GB/s的IO读写能力;能够在1-2个小时内,对全省空气质量污染情况进行预测预报。应用系统区由浪潮的企业级机架服务器组建应用系统和数据库平台,实现数据的统一管理、预报结果展示与发布。

  集群计算区采用刀片服务器浪潮I9000/NX5460M4,单节点配置2颗Intel Xeon E5-2660v3(2.6GHz/10c)/ 25ML3处理器,一个刀片可以提供416GFLOPS(10亿/秒)的计算能力,一个计算刀箱可支持16个计算刀片,提供6.7万亿次/秒的计算能力。1台浪潮八路服务器TS860G3配置8颗Intel Xeon E7-8860v3(2.2GHz/16c) /40ML3,可以提供2252.8G GFLOPS(10亿/秒)≈2.3万亿次/秒的计算能力。因此构建一个50万亿次计算能力的集群只需要5台满配的I9000和4台满配的TS860G3。

  方案特点

  • 稳定的硬件支撑

  浪潮省级空气质量预警预报解决方案中采用业界领先的服务器、存储产品,产品均采用模块化设计,并支持多种RAS特性。基础设施的稳定可靠,为上层服务平台提供持续的服务能力。

  • 高性能计算能力,按需扩展

  空气质量预报模型采用并行的计算模式,要求短时间内输出预报结果,对集群的计算能力要求非常高。集群计算能力具有横向扩展的特性,根据不同计算规模的需要,灵活调整集群计算节点数量。

  • 功能强大

  浪潮省级空气质量预警预报解决方案具有5大功能,帮助客户准确的把握空气质量的动态信息,使公众能够通过该平台获取发布的空气质量预报预警信息。第一通过稳定平台实现数据存储与统一管理;第二,建设空气质量预警预报模式支撑系统。整合排放清单模型(SMOKE)、气象预报模型(MM5)、空气质量预报模型(CMAQ/CAMx/NAQPMS等),实现模型的自动运行与计算;第三,建设空气质量预警预报系统,实现空气质量多模式预报结果的自动生成,并支持对结果的核对统计与对比分析,增强空气质量预报的及时性、准确性、可靠性;第四,建设GIS展示平台。运用GIS技术,将空气质量实况、预报数据及其统计分析结果在GIS地图上展现,增强结果的可视化程度和信息的可读性。第五,与外网门户系统结合,发布及时、准确的预警预报信息。

  方案价值

  浪潮省级空气质量预警预报解决方案实现对环保和气象数据进行科学处理、分析、展示,帮助使用人员高效快速理解数据中蕴含的信息。综合利用多种方法实时获取空气质量预报数据,并将最终生成的预报预警结果在公共主页上进行发布展示,帮助政府和公众提早预防,减少大气污染天气带来的影响,大大提升环保部门的环保服务能力。

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