海洋信，电技术９ 海洋数值模式结果可视化集成处理系统研制 吴萍，王丽琳，薛佳丽，梅杰 （国家海洋局东海预报中心上海市２０００８１） 摘要：随着海洋预警技术及计算能力的快速发展，海洋数值模式预报体系日趋完善。如何快速获取丰 富、直观的海洋数值模式可视化产品是当前的研究热点。本文分析、提炼多源海洋数值模式结果（以 ＮｅｔＣＤＦ文件格式存储）的控制参数，利用虚拟化平行计算技术，采用核心服务器＋数据处理服务器架构， 实现海洋数值模式结果可视化集成处理系统研制。该系统能兼容多类模式结果处理，不仅提高了海洋数值 模式结果可视化处理速率，也大大提升了服务器硬件资源的使用率。 关键词：海洋数值模式；集成；可视化 随着海洋预警报技术及计算能力的快速发 的海量数据传输性能，已广泛应用于海洋、大气 和环境预报及研究中。从数学上来说，ＮｅｔＣＤＦ 展，海洋数值模式预报体系亦日趋完善。当前广 泛应用的海洋数值模式有：ＳＷＡＮ和ＷＷ３海浪 模式，ＦＶＣＯＭ、ＲＯＭＳ和ＰＯＭ等海流模式。随 着海洋预报高精度、高时效性愈来愈高的要求， 多源模式结果可视化产品的处理速度和产品信息 量要求亦越来越高。模式结果具有高度的时空 性，而ＧＩＳ技术能很好地表达时空数据，本文的 主要研究内容是基于ＡｒｃＧＩＳ及服务器虚拟化技 存储的数据是一个多自变量的单值函数。用公式 来说就是ｆ（ｘ，ｙ，Ｚ，…）＝ｖａｌｕｅ，函数的自变量 Ｘ，ｙ，ｚ等在ＮｅｔＣＤＦ中叫做维（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）或坐 标轴（ａｘｉｘ），函数值ｖａｌｕｅ在ＮｅｔＣＤＦ中叫做变量 （Ｖａｒｉａｂｌｅｓ）。而自变量和函数值在物理学上的一 些性质，比如计量单位（量纲）、物理学名称等 等，在ＮｅｔＣＤＦ中就叫属性（Ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ）。 本文研究内容中，所有的海洋数值模式结果 术，构建海洋数值模式结果可视化集成处理系 统，以提升模式结果可视化产品的处理速率，丰 富可视化产品内容。 均以ＮｅｔＣＤＦ文件存储（后简称ｎｃ数据）。 １．２海洋数值模式结果可视化处理技术发展 可视化技术是指将数据和信息转化为人类可 １ 海洋数值模式结果可视化处理现状 １．１海洋数值模式结果 以直观识别的色彩、表格、图形、图像、动 画等形式，使得数据信息的内容形象、生动、清 晰地展现在计算机屏幕上，并能进行交互处理的 理论、方法和技术【ｌＩ。 海洋数值模式多样，模式产品格式也纷繁复 杂，如ＧＲＩＢ、ＧＲＩＢ２、Ｍｉｃａｐｓ Ｄｉａｍｏｎｄ和 ＮｅｔＣＤＦ等。其中，ＮｅｔＣＤＦ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｍｏｎ Ｄａ— ｔａ Ｆｏｒｍａｔ，网络通用数据格式）就是一种文件格式 常规的海洋数值模式结果多是以ＩＤＬ、Ｍａｔ— ｌａｂ等程序的图形输出功能绘制各类模式结果的 可视化产品，也有使用专业绘图软件Ｓｕｆｆｅｒ［２１进行 图形绘制并输出。劳伦斯利福摩尔国家实验室开 标准，由于其高可用性、灵活性及面向阵列数据 收稿日期：２０１６—０８—２９ 基金项目：海洋公益性行业科研专项（２０１４０５０２２）；２０１５年分局立项青年科技基金项目（２０１５２３）。 发的Ｖｉｓｉｄ 嗽件集成了Ｈｅ数据的可视化功能，但 不直接支持不规则ｉ角网网格的ｎｃ数据处理， 且不支持ＧＩＳ功能，如放大、缩小、地图投影转 模式可视化处理。但这些亓丁视化处理系统存在如 下问题： （１）海洋数值模式结果纷繁复杂，而处理系 统多针对特定格式设定，可处理数据格式兼容 型差； 换等。这类可视化产品处理速度快，但存在信息 表达有限、可视化效果及修改困难等问题。 近些年，ＧＩＳ技术引入海洋数值模式结果可 视化处理。ＡｒｃＧＩＳ提供了ｎｃ数据处理工具，能 实现规则网格ｎｃ数据的直接处理。Ｂｌｏｗｅｒ开发 的ｎｃＷＭＳ系统Ｉ４ ｌ可将模式结果可视化产品发布为 （２）海洋数值模式结果通常是空问范围内一 个时间序列的预报值情况，数据量大，单线程 可视化处理时间较长，不能满足预报高时效的 需求。 符合ＷＭＳ标准的地图服务，但不能兼容不支持 ＣＦ规范的ＮｅｔＣＤＦ数据。Ｈａａｊａｎｅｎ 等建立了 ２海洋数值模式结果可视化集成处 理系统架构 本系统采用Ｃ／Ｓ（客户端／月艮务器端）架构，集 成多源模式结果数据自动可视化处理、存储及处 理监控等功能，系统架构如图１所示。 多源模式结果数据根据命名标准及分发规 ＩＷＩＣＯＳ系统，这一系统将海洋气象、海冰等模 拟和观测的数据集成在ＧＩＳ平台上，并且对外提 供数据和地图服务。东海预报中心建成的“海洋 渔业预警报数据推送平台”，基于ＡｒｃＧＩＳ Ｅｎｇｉｎｅ 二次开发平台，集成ＳＷＡＮ海浪和ＷＲＦ海面风 日志管理及统计 数据处理参数配置 －・ 一 客 户 一 … 一 ●｝ －●●●■＿－● ・ ： “ ：． 数据处理状态监控 ｋ － 曼 ｔ…… ＝＿Ｉ。 “ 端 ＿，～ ｆ＝＝二二＝ Ｉ综合坝警报ｌ ｌ 数据库 ｌ 蠢 ｛稼 毽 ≮ Ｉ 处理任务执行 ｌ 服 务 器 Ｉ 数据预处理 ｌ 文件自动监听 端 多源模式 结果数据（ｎｃ） ｌ Ｉ 图１系统架构图 海洋信．电技术１ｌ 则，分发至指定目录；服务器端自动监控文件 夹，实时处理新添加的模式结果数据，并将处理 之，就是将物理机器、操作系统及应用程序整合 成一个虚拟机。这种技术能够提高服务器的使用 强度，将物理资源效益最大化，从而达到在最大 化硬件投资收益的同时，也能极大地降低系统管 理的复杂度和日常维护的成本 Ｉ。 结果存储综合预警报数据库；客户端主要实现数 据处理状态实时监控、数据处理参数配置及日志 管理等功能。综合预警报数据库采用基于“基础 库一中间库一成果库一历史库”四级存储模式的 Ｏｒａｃｌｅ关系数据库和文件地理数据库（Ｆｉｌｅ ＧＤＢ） 联合存储模式。 本文利用虚拟化并行技术，采用核心服务 器＋数据处理服务器架构，在提升硬件资源利用 率的同时，提升海洋数值模式结果可视化处理效 率。系统数据处理流程如图２所示。 ３．２多源数据集成处理 ＮｅｔＣＤＦ只是一个数据通用标准，其格式可 ３关键技术研究 ３．Ｉ虚拟化并行计算 服务器虚拟化（Ｓｅｒｖｅｒ Ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）是指多个 根据使用者的需求自定义。为实现多模式可视化 集成处理，分析、汇总现有ｎｃ数据，提取模式 结果ｎｃ数据控制信息；针对可视化产品类型， 操作系统同一时间运行在同一台服务器上。简言 核心服务器 、ｑ 文件夹ｒＩｌ动舱听，数据 １＇ ｒｌ预处理＇任务分解ｌ ｌ回 ｔｒ■， １．轮询任务数据库，扶 取任务，执行数据处理； ’ ，２・存储处理结果。 奠 职 她 一 图２系统数据处理流程图 配置各类产品可视化参数。 ３．２．１模式网格 常用的网格有两类：规则网格和不规则 网格。 （１）规则网格 规则网格是以矩形或正方形为基础单元格， 存储形状较为规整的数据。以海浪ＷＷ３模式结 果为例，其基本结构如表１所示。 表１ ＷＷ３模式结果基本结构 其中，ｌｏｎ维度表示水平方向的格点数量， ｌａｔ表示垂直方向的格点数量，ｔｉｍｅ表示预报时 次。Ｔｉｍｅ变量表示每个预报时次的预报时间， 通过ｔｉｍｅ，ｌａｔ和ｌｏｎ可确定任意时空位置，进而 获取该时空位置的变量值。 （２）不规则三角网 不规则三角网是以大小不一致的三角面组 成，适于存储边界不规则的数据，如海浪、海流 等。不规则三角网变量的存储有多种，如值在三 角面定点、值在三角面中心点、值在三角面边上 等。以ＦＶＣＯＭ模式结果为例，其基本结构如表 ２所示。 表２ ＦＶＣＯＭ模式结果基本结构 其中，ｎｏｄｅ维度表示三角面顶点数，ｎｅｌｅ维 度表示三角面数量，ｓｉｇｌａｙ维度表示垂直分层数。 ｎｖ变量表示三角面与３个顶点的关系，１１、ｖ变 量表示各个三角面中心点垂直某层的海流水平、 垂直分量，ｚｅｔａ变量表示三角面各顶点的水位值。 ３．２．２模式时间变量 不同的模式结果，预报时间变量的存储方式 也不尽相同，当前常用的有４种方式：（１）起报时 间＋相对时间存储，以字符串形式存储起报时间， 变量以相对时间来描述其对应的预报时次，相对 时间单位为时、分或秒；（２）字符串存储，分别 存储年、月、日、时、分信息；（３）相对时问存 储，在属性信息中描述起报时间，相对时间单位 为天、时、分、秒。 ３．２－３可视化参数 模式数据可视化产品以ＧＩＳ数据存储，主要 有点、线和栅格３类。 点数据以风杆、箭头等形式表示该点要素预 报情况。为达到高精度数值预报要求，不同显示 比例尺及不同研究区域，点数据的显示密度也不 同。为提高数值模式可视化处理效率，需预先生 成点数据。根据模式可视化产品范围，预先划分 研究区域（主要区分关键区域和一般区域，不同 类型区域点密度不同），配置各区域的规则网格 大小，采用规则网格法生成各区域点，根据规则 网格显示策略为各点配置ｌｅｖｅｌ属性，确定各点 的显示等级。 图３点数据显示配置 线数据，以等值线方式表达诸如风速、浪 高、流速值的分布。等值线生成有两种方式： （１）设定基值和间隔，等间距提取等值线；（２）设 定一系列数值，提取对应的一系列等值线。 栅格数据，以颜色渲染表示不同海洋要素值 预报趋势。栅格数据生成除常规的栅格大小设置 外，重要的是要设置合适的边界。对于海流、水 位数值模式结果，在沿岸、滩涂及岛屿等水陆交 接的地方，易出现“露滩”现象（即该区域为 干），故这类产品的栅格边界是动态变化的。对 于模式结果来说，其网格划分是固定的，网格的 “露滩”与否可通过该网格的流速判断，当流速 为０时，该网格是“露滩”的。各个时刻未“露 滩”的三角面连接形成的区域作为该时刻海流或 水位的有效区域，以此作为该时刻栅格数据的裁 剪边界。 ３．３任务动态调度 模式结果文件可视化处理任务主要有：ＧＩＳ 数据生成（即生成点、线和栅格文件）、关键点预 报提取和关注区域预报提取。任务配置及生成 时，关键点和关注区域预报提取，一个ｉｌＣ文件 的预报要素对应一个处理任务，如ＦＶＣＯＭ海流 模式结果的海流关键点预报提取为一个任务，水 位关键点预报提取为一个任务。ＧＩＳ数据生成处 理过程复杂，处理时间较长，每个ｎｃ文件的预 报要素各个时刻ＧＩＳ数据生成是一个任务。 每台数据处理服务器轮询任务表，并从未处 理任务列表中领取任一任务进行处理，处理成功 后将该任务状态设置为完成。 ４应用效果 硬件配置：ＩＢＭ Ｘ３８５０服务器一台，内存３２ Ｇ。 模式结果数据：东海区ＳＷＡＮ模式结果，７２ 小时逐时预报。 可视化产品要求：７２小时逐时的海浪点、浪 高等值线、浪高栅格图。 传统可视化处理效率：受ＡｒｃＧＩＳ单线程处 海洋信，电技术１３ 理模式约束，ｌ台机器同一时间只能执行一个数 据处理任务，假设一个时刻可视化产品处理时长 为１５ ｓ，则本次可视化处理需１８ ｍｉｎ。 海洋数值模式结果可视化集成处理系统处理 效率：采用虚拟化技术，将该服务器虚拟为５台 服务器，同时进行可视化处理任务，本次可视化 处理需３．６ ｍｉｎ，处理速率大大提升。 此外，本系统已开始业务化运行，目前能完 全兼容东海预报中心现有的所有风、浪、流、潮 和泥沙输运模式结果。 ５结语 通过梳理各类海洋数值模式结果的异同，提 取模式结果控制参数；基于ＡｒｃＧＩＳ单线程处理 ，采用虚拟并行技术，构建海洋数值模式结 果可视化集成处理系统。该系统能很好地兼容各 类Ｂｅ数据可视化处理，同时大大提升了模式数 据可视化处理效率。 参考文献： 【１】艾波，陶华学．海洋水文数据的可视化方法研究『Ｊ１．科技创新 导报，２００８，（０３）：１３４． ［２］李树华．面向海洋数值模式的数值可视化信息系统设计与实 现［Ｄ］．中国海洋大学，２ｏ１３． ［３１ ＴＥＡＭ Ｖ．ＶＩＳＩＴ：Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｈｅ Ｄｅｌｉｖｅｒｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｖｉｓｕａｌ－ ｉｚａｕｏｎ［Ｊ］．Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，２００３，３１： ４２１—４２５． ［４］ＢＬＯＷＥＲ Ｊ Ｄ，ＧＥＭＭＥＬＬ Ａ Ｌ，ＧＲＩＦＦＩＴＨＳ Ｇ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｗｅｂ Ｍａｐ Ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎ－ ｓｉｏｎａｌ ｇｒｉｄｄｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ［Ｊ］．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ＆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ，２０１３，４７（３）：２１８—２４． ［５］Ｓａｎｄｖｅｎ Ｓ，Ｂｅｒｇｌｕｎｄ Ｒ，Ｈａａｊａｎｅｎ Ｊ，ｅｔ ａ１．ＩＷＩＣＯＳ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｅａｔｈｅｒ，，ｓｅａ ｉｃｅ ａｎｄ ｏｃｅａｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｏｃｅａｎｏｇｒａ－ ｐｈｙ Ｓｅｒｉｅｓ，２００３，６９：６２１－６２６． ［６］于淼．服务器虚拟化技术在消防信息中心的应用ｌ Ｊ１．学院 学报，２０１１，２７（４）：９１—９３． ［７１ ＳＡＮＤＶＥＮ Ｓ，ＨＡＲＡＲＥ Ｔ，ＢＥＲＧＬＵＮＤ Ｒ，ｅｔ ａ１．ＩＷＩＣＯＳ：Ｉｎｔｅ－ ｇｒａｔｅｄ Ｗｅａｔｈｅｒ，Ｓｅａ Ｉｃｅ ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｍ］／／Ｈ． ＤＡＨＬＩＮ Ｎ Ｃ Ｆ Ｋ Ｎ，ＰＥＴＥＲＳＳＯＮ Ｓ Ｅ．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ Ｓｅｒｉｅｓ．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ．２００３，６２：１－６．
