引言

热带气旋是影响我国沿海地区最严重的自然灾害之一，它所带来的强风、暴雨和海潮往往会严重危害人民生命及财产安全。能否准确的预报热带气旋的移动路径是减轻损失的关键。国家气象中心的台风路径数值预报模式自从1996年投入业务运行以来，已经稳定运行6年。在这6年里，该模式经历了扩大区域^[1]、两次嵌入人造台风^[2]和细网格初始移动^[1]等改进，技术上逐渐成熟，预报效果不断提高。

该系统自投入业务以来，一直在Cray 92(C92) 向量机上稳定运行。随着时间的推移，C92的服务期已满，各种硬件设备的维护已不能完全提供保障。为了保证业务运行，国家气象中心决定在国产超级计算机神威上建立新的台风路径数值预报系统，以代替C92机上基于T106台风预报系统。

国产超级计算机神威 (SW) 属于可伸缩的大规模并行处理计算机，通常称之为MPP机 (Massively Parallel Processor)，它采用的是同构、分布共享主存储器体系结构，共有384个处理单元 (PE)。每个处理单元内存为128MB，处理单元间以内部互连网络连接，各处理单元既可独立运行也可通过相互间的网络实现并行。每个处理单元还可通过16个I/O节点访问磁盘阵列 (简称IOP)

基于T106台风预报系统是依托于C92向量机研制而成的，有3万行串行程序，252个子程序。因而要在神威计算机上运行原有的台风路径预报模式，必须对原程序代码进行优化及并行化，这样才能保证在新环境下运行的时间满足业务需要。另外，国家气象中心新一代中期预报模式由T106L19升级为T213L31，因此，向神威机并行化移植的台风模式系统的初估场及侧边界条件也需由T106L19产品改为T213L31产品。

1 台风路径数值预报模式

国家气象中心的台风路径数值预报模式是一个双重嵌套的有限区域格点模式，有限区域外围粗网格模式与全球业务谱模式嵌套，粗网格模式内部再嵌套一个细网格模式。粗、细网格模式间采用时间同步单向嵌套。粗网格模式的预报范围为:0°~50.625°N，84.375°~161.25°E，格距为0.9375°。细网格模式的预报范围为:6.5625°~43.125°N，101.25°~150.9375°E，格距为0.46875°(大约50 km)。模式水平方向采取的是经纬网格坐标，垂直方向取σ坐标，层次为不等距15层，水平速度u、v，温度T，比湿q都放在模式层的整层上，而垂直速度和位势高度Φ放在模式层的半层上。模式的水平网格采用Arakaw a C格式，变量在水平方向上交错分布^[3]。

基于T106台风预报系统主要包括如下几个部分:

① 前处理 (a) 从背景场中消除不准确的浅台风^[4]，得出大尺度环境场；(b) 构造对称的人造台风模型^[5]，并嵌入到大尺度环境场中，改善初始场中台风环流的描述；(c) 有限区域多变量最优插值客观分析；(d) 为了弥补在客观分析时对台风结构造成的影响，在分析场中二次嵌入对称人造台风模型；

② 运行台风路径预报模式；

③ 后处理生成预报产品。

2 并行化方案设计及检验

基于T106台风预报系统运行时间主要集中在台风路径预报模式上，并行化将主要针对此模式展开，而前处理及后处理部分将串行移植到神威机上。

台风路径数值预报模式包括粗网格与细网格两个区域，具有相同的预报方程、侧边界处理方案、时间积分方案及物理过程。通过对模式各部分的运行时间进行分析可以发现，双重嵌套模式时间积分的运行时间占整个模式系统运行时间的99 %，而其中物理过程是计算量最为集中的部分。物理过程的计算是在每个纬圈上依次进行的，各纬圈计算量接近，各纬圈的计算与本次时间积分中其它纬圈的计算结果无关，只与上次时间积分中相邻纬圈的计算结果有关。因此将采用如下并行化方案:①联合采用数据并行和消息传递两种并行模型，对纬圈实行并行，将与纬圈相关的数据与计算按块分布的方式平均分配到各处理机上进行并行计算；②采用HPF语言来实现整个系统的并行化设计，对于一些性能要求高的子程序用并行函数实现，以满足时效要求。

为了保证并行移植工作的顺利进行及并行结果的正确性，移植分以下几步:

① 模式串行移植将C92机上的台风路径数值预报模式代码模块移植到神威机器上，保证串行程序移植的正确。

② 程序的优化为了进一步减低系统运行开销，为系统的并行实现奠定良好的基础对串行移植的程序代码进行优化并验证优化后串行模块的正确性；

③ 并行化处理将优化成功的串行程序按上述并行化方案进行并行处理；表 1为模式并行效率检验。

从表中数据可以看出，在时间上，并行化后的模式能够满足业务时效需求，但从效能上看显然不够理想，其中神威机128MB的内存是制约并行效能的一个重要因素，较小的内存使得数据不得不经常在内外存做频繁的交换，影响了并行效率。

④ 并行化正确性检验运用多个个例数据对并行后的主模式进行检验，在初值相同的前提下，将神威上运行的并行结果与Cray92上运行的串行结果进行比较，检验结果证明，模式的优化及并行化是正确的。

3 基于T213、T106台风预报系统预报结果的比较

基于T106台风预报系统一直同原中期数值预报业务模式T106L19相嵌套。新一代中期数值预报模式T213L31于2002年正式投入业务运行。基于T213台风预报系统将同新一代中期预报谱模式T213L31嵌套。同原中期预报系统T106L19模式相比，新一代中期预报谱模式T213L31有较高的模式分辨率及较完善的物理过程^[6]，同时其预报效果也有较大改进^[7]。

3.1 平均路径预报误差

基于T213台风预报系统于2002年6月30日投入实时运行，对从No.05台风开始的14个台风进行了24h及48h实时预报。14个台风中，西行登陆台风2个 (No.16、No.18)；西北行登陆台风1个 (No.09)；转向台风6个 (No.05、No.06、No.07、No.13、No.15、No.21)；东北行台风1个 (No.08)；No.11号台风是打转台风；No.12、No.14、No.20等3个台风为北上台风。台风路径预报误差检验结果表明，从总体来看，基于T213台风预报系统由于同T213L31嵌套，其预报效果比基于T106台风预报系统好，其中24 h平均误差减少24.5 km，约占总平均误差的13.2 %，48 h减少23.7 km，约占7.4 %，详细误差分析见表 2。

为了进一步了解神威机台风路径预报系统的预报特点，分析了每个台风平均路径误差，图 1及图 2分别为所有台风24 h及48 h路径预报误差。

从图 1可以看出，除No.13(两系统预报路径平均误差分别为212.1 km、203.8 km)、No.15(误差为89 km、87.2 km)、No.18(误差为204.5 km、146 km) 台风外，基于T213台风预报系统预报的其余11个台风的24 h平均误差均比基于T106台风预报系统平均误差小。由此可以看出由于初始场及侧边界由T106L19升级为T213L31，基于T213台风预报系统的24h路径预报得到改进。两个系统的48 h路径预报 (图 2) 各有千秋，基于T213台风预报系统在12个台风48h平均路径误差检验中，有6个台风 (No.05、No.11、No.13、No.14、No.15、No.21) 的平均路径误差小于基于T106台风预报系统的平均路径预报误差。6个台风中转向路径有4个，为No.05、No.13、No.15、No.21；北上路径一个No.14；打转路径一个No.11。而48 h路径误差大于基于T106台风预报系统的6个台风中西行或西北行登陆的台风有两个:No.09、No.16，东北行台风一个No.08，西北行转向的台风两个No.06、No.07，北上路径一个No.20。从2002年不同移向 (转向、西行登陆或西北行登陆、打转、东北行及北上) 台风的平均路径误差分析得出，①基于T213台风预报系统对西行登陆或西北行登陆的台风48 h路径预报比基于T106台风预报系统预报效果差；②对于转向台风预报总体上预报效果好于基于T106台风预报系统预报；③两个系统对西行或西北行登陆的台风预报均明显比对转向路径的预报好，即对西行登陆或西北行登陆的台风有较好的预报能力；④而对北上路径预报基本好于基于T106台风预报系统的预报。图 3为西行登陆或西北行登陆台风及转向台风的误差分布。

3.2 转向台风的误差分布特点

图 3基于T213、T106台风预报系统西行或西北行及转向台风平均路径误差分布仔细分析每个转向台风路径误差分布特点可以发现，对于转向台风，通常在转向之前基于T213台风预报系统的预报效果比基于T106台风预报系统差或相当，而转向之后同基于T106台风预报系统的路径预报相当或明显好于基于T106台风预报系统的路径预报。基于T213台风预报系统有效的减小了基于T106台风预报系统对转向台风的系统性预报误差:台风转向后所预报路径比实况路径偏西。图 4展示了两个系统对转向台风路径预报的特点。

从图 4可以看出，对于No.05台风，基于T106台风预报系统在转向点之前的预报一直预报此台风将登陆我国；而基于T213台风预报系统提前24 h预报了No.05号台风的转向趋势。仔细分析了预报路径的经、纬度预报误差发现 (图略)，基于T213台风预报系统有效的减小了基于T106台风预报系统对转向台风路径预报西进较快的趋势，并提高了台风向北的移动速度，两者的作用使神威系统的预报减小了原基于T106台风预报系统在预报转向台风时系统性的偏西误差，预报路径较基于T106台风预报系统预报偏东。而转向后基于T213台风预报系统的预报路径偏东趋势在所有转向台风中都存在，这使得基于T213台风预报系统在台风转向后的大部分路径预报好于基于T106台风预报系统的路径预报。

3.3 西行及西北行登陆台风的路径预报误差分布

分析西行登陆或西北行登陆的台风，基于T213台风预报系统24 h预报路径误差较基于T106台风预报系统预报误差小，而48 h (No.09及No.16台风11次预报平均) 前者却有较大的预报误差。误差主要来源于No.09 :基于T213系统48 h平均误差为246.3(5) km，而基于T106系统48 h平均误差为118.9(5) km。分析两个预报系统48 h预报路径误差相差大于100 km的预报可以看出，预报误差并不具系统性，引起No.09和No.16台风预报误差的原因不同。No.09台风路径位于较高纬度，三次较大误差为2002年7月23日12 :00、7月24日00 :00及7月25日00 :00的48 h预报，两个系统的预报误差相差150~200 km。比较几次预报的500 hPa高度场可以发现:基于T213系统所预报的副高明显弱于基于T106系统的预报，而No.09台风的移动主要受副高西进及北抬影响。故在这三次预报中，基于T213台风预报系统的预报明显比基于T106台风预报系统的预报偏东偏南。位于较低纬度的No.16台风两次较大的误差分别出现在2002年9月4日00 :00预报及9月5日00 :00的48 h预报。造成No.16台风较大误差的原因同No.09台风的预报截然不同。基于T213台风预报系统预报路径西进过快，经度误差分别为 (预报-实况):9月4日00 :00的48 h预报为-4.866(SW)、-3.459(C92)；9月5日00 :00的48 h预报为-3.334(SW)、-2.239(C92)，西移速度过快导致基于T213台风预报系统这两次48 h路径预报误差比基于T106台风预报系统路径预报误差大100 km左右。

除No.09台风的48h预报外，三个西行或西北行登陆的台风预报路径绝大部分比实况偏北，基于T213台风预报系统的预报偏北比较明显 (图略)，这一点也可能是导致基于T213台风预报系统预报误差较大的原因之一。

4 结论

经过对台风路径预报模式的优化及并行化，台风路径数值预报系统成功的建立在SW上，预报时效满足了业务需要，同时系统的嵌套模式由原来的T106L19升级为T213L31。台风路径预报误差分析表明:基于T213台风预报系统的总体平均路径误差减小；对转向台风、北上台风及打转台风的路径预报的改进较为明显，有效的减小了基于T106台风预报系统对转向台风路径预报的系统误差:即台风转向后预报路径偏西，提高了对转向台风的预报能力；对于西行及西北行登陆的台风，基于T213台风预报系统的48h预报路径平均误差比基于T106台风预报系统预报误差大，尤其是纬度较高的No.09台风。关于基于T213台风预报系统对西行及西北行登陆台风的预报能力评价，需要在以后的业务预报误差分析中继续进行，以便发现是否有系统性误差存在，从而为进一步提高台风路径数值预报能力奠定基础。