0　引言

數值天氣預報業務是為國家經濟發展、防災減災和民生改善提供氣象服務的重要保障，而數值預報模式的研發是天氣預報業務的重要支撐[1]。數值預報模式是一種典型的大積分計算量、海量數據處理的科學計算程序，具有多步任務運算、數據管理復雜、串并行混合等特點，一般運行于超大規模高性能計算系統和大數據存儲管理系統之上。當前，中國氣象局國家級數值天氣預報業務體系[2]基于中國氣象局 “派-曙光”高性能計算機系統業務運行和研究開發[3]。隨著E級計算[4]和后摩爾時代的發展，高性能計算機的系統架構、軟件生態、編程方式均將發生變化[5-6]，高性能計算資源的使用門檻將進一步提高。隨著氣象科學進入地球系統時代[7]，全球數值預報正朝向基于地球系統科學框架下的多圈層耦合[8]地球系統數值預報模式發展，更高分辨率海量數據的應用將進一步提升模式研發試驗的復雜度。

研發試驗是改進數值預報模式的主要手段，通常過程需要構建試驗的復雜運行流程與參數化方案，調用海量多圈層的觀測數據、背景場[9]數據驅動，進行高效率的大規模并行計算，最后對試驗結果進行應用檢驗評估[10-11]，并反饋修正模式。此前，數值預報模式試驗主要在命令行環境下，采用手工編寫批處理腳本來編排、運行和檢驗試驗。科學家開展研發試驗不便捷，手工準備、編排一次試驗耗時很長；科學家需要了解多個復雜IT系統的環境細節，精力無法聚焦于試驗科學性本身，批處理式試驗全程不可見，運行調試周期長，錯誤無法及時發現處理，整體效率低。并且缺乏試驗的管理，歷史試驗的復現研究不便，無法便捷充分地比對共享試驗方案和效果。國際主要氣象機構歐洲中期數值天氣預報中心（ECMWF）、美國國家航空航天局(NASA)和英國國家大氣科學中心（NCAS）均建立了面向氣象應用的數值預報模式試驗平臺，用于簡化科學家的研究過程。如ECMWF的PrepIFS[12]，是開放支撐歐盟成員國研究人員開展IFS模式應用研究的一體化數值模擬試驗工具，提供可視化客戶端，實現在ECMWF的超算上構建、計算、監控和管理IFS模式試驗，但在試驗結果分析和試驗結果比較方面尚需要研究人員人工進行；美NASA的NED[13]（NASA Experiment Designer），用于支撐NASA的科學家在超算上可視化的配置、運行、監控和管理復雜模式試驗，提供客戶端交互界面，支撐相似試驗工作流的比較，但NED僅支持在預定義或已運行的歷史試驗工作流基礎上運行或修改參數后運行試驗，限定性高；NCAS在英國氣象局的數值模式 Unified Model (UM)研究中使用RoseCylc[14]工具構建和管理試驗，Rose是可視化客戶端，提供試驗預定義Cylc工作流[15]的修改編輯、調度、運行和監控，該工具支持模式研究試驗工作流的構建和提交運行監控，但不支持試驗的分析、比較和管理。

2021年，中國氣象局成立了地球系統數值預報中心，聚力發展地球系統數值預報系統。國務院《氣象高質量發展綱要（2022—2035年）》要求加強地球系統數值預報核心技術攻關，發展自主可控的地球系統數值預報模式。面向國家發展戰略，為了高效地支撐數值預報模式的研發，針對科學家開展數值模式研發試驗的困境，尤其是試驗不便捷、效率低、周期長和無法共享等問題，本文設計實現了數值預報中試系統，采用可視化交互界面，集成了開展數值預報模式試驗所需交互的全流程環節以屏蔽底層細節，應用工作流技術實現了試驗復雜工作流的構建、調度運行和監控，運用分布式存儲和RDBMS等技術建立試驗管理體系，支持試驗的管理、比較、共享。開創性地為科學家提供了界面交互的“建模-計算-監控-分析-管理-共享”的一站式全流程集成應用，并已應用于數值預報模式研發中，具備良好的易用性和擴展性。

本文闡述了系統設計及關鍵技術實現、性能及應用效果，并討論下一步工作方向。

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作者信息：

趙春燕1，周斌2，3，胡江凱2，3，王彬2，3，孫婧1，趙濱2，3

（1.國家氣象信息中心，北京 100081；2.中國氣象局地球系統數值預報中心，北京 100081；
3.災害天氣國家重點實驗室，北京 100081）