[发明专利]一种海洋模式与资料同化的数据耦合方法、系统及介质

说明书

本发明公开了一种海洋模式与资料同化的数据耦合方法、系统及介质，本发明的方法中，将海洋数值模式模块和资料同化模块的数据交换与对接的步骤具体包括：将海洋数值模式模块产生的、描述特定物理量的、以分布式文件存储的多个分区文件，合并成可被资料同化模块所读取使用的全空间场文件。本发明采用并发访问技术，实现了模式计算与资料同化间的高效数据交换及全工作流程的无缝整合。

技术领域

本发明涉及信息技术和海洋环境数据应用技术领域，尤其涉及一种海洋模式与资料同化的数据耦合方法、系统及介质。

背景技术

海洋再分析是基于海洋动力模型，利用数据同化技术，将时空分布不均匀的海洋观测资料与数值模式的格点数据相结合，最终得出充分反映海洋要素多时空尺度变化特征和多要素物理关联性的海洋再分析产品，在业务化海洋学、海洋科学研究和气候变化等领域具有重要的应用价值。海洋再分析产品可以为研究海洋对全球气候变化响应、中尺度涡、海洋锋与跃层等海洋现象、海洋状态估计及其变化规律、生态环境变化、海平面上升、以及海洋数值预报和海洋环境保障等提供海洋变化的背景信息。

海洋数值模式（简称海洋模式）与资料同化是海洋数据再分析中两个重要环节。海洋模式是定量描述海洋现象及其变化的数值模型，通过建立数学物理偏微分方程组反映海洋动力、物理以及两者相互作用等复杂过程，并借助数值离散化手段，使用计算机对上述方程组进行求解。资料同化是应用海洋数值模式与观测资料融合、重构时空连续的再分析资料产品的过程。在海洋数据再分析过程中，先通过模式方程求解各个物理状态量，然后由资料同化模块负责将新的观测资料同化融合到上述物理状态量中去，这个过程交替重复进行。常用的全球主要业务化海洋数值模式有HYCOM(The Hybrid Coordinate OceanModel)、POM(The Princeton Ocean Model)、MOM(The Modular Ocean Model)、NEMO(TheNucleus for European Modelling of the Ocean)、MITgcm(The MIT GeneralCirculation Model)、WEMO等系统；由于物理空间范围广、离散网格数量多、数值计算开销大，这些数值模式通常都支持在高性能计算机平台上运行，并支持多种并行方案。海洋资料同化在近十年来也取得了快速的发展,依据其理论原理资料同化可分为2类:一类是基于统计估计理论,如最优插值(Optimal Interpolation,OI)和集合卡尔曼滤波(EnsembleKalman Filter,EnKF)等;另一类是基于最优控制或称变分,如三维变分(3 DimensionalVariation,3DVar)和四维变分(4 Dimensional Variation,4DVar)等。

全球海洋数据再分析过程必需借助超级计算机平台完成，由于历史上海洋模式和同化模块分别由不同的研究团队独立完成，它们并行处理的方案上并不相同，当将这些模式与同化模块组合起来、形成海洋再分析工作流时，将面临着模式产出数据与同化模块输入数据的交换与适配问题。以MPI多进程并行运行的MITgcm数值模式+四维变分同化模块的组合为例，并发运行数据模式时，每个进程各自生成独立的物理量状态结果数据文件，这些文件可能存储于不同的机器结点上（或者以共享文件卷的方式存储在专用服务器上），而同化模块则需要读取一个整体的大文件，二者接口并不匹配。为了不改变二个模块各自的接口，需要编写专门的数据适配模块；这样处理面临两个挑战：（1）数据量过大，难以在内存中完成数据合并。全球海洋再分析数据每个同化周期产出数据约20GB，若再考虑合并过程引入的辅助空间开销，整个数据适配过程对单一计算机机主存容量提出严峻挑战。（2）适配模块性能较差。跟经过做过高度性能优化的现成模块相比，用户编写的这个数据适配模块往往性能较差，成为限制海洋再分析数据产出效率的性能瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种海洋模式与资料同化的数据耦合方法、系统及介质，采用并发访问技术，实现了模式计算与资料同化间的高效数据交换及全工作流程的无缝整合。