集合预报中检验资料提取的并行化实现

神威集合数值天气预报系统是以国产巨型机“神威”为平台的实时业务系统, 检验子系统是其重要的组成部分。文章介绍了神威集合数值天气预报系统中检验资料提取的并行化实现方法及并行效率。     

集合预报系统中客观分析方案的并行化实现

从串行程序分析、并行方案选择到具体算法实现, 依次介绍了基于神威机的集合数值天气预报系统中“客观分析子系统”的并行化过程, 并给出了并行化后的性能评测。     

全球气象资料客观分析系统的分布式并行化

对已有的率行算法进行并行化，是一项很困难的工作。通过对全球气象资料客观分析系统率行算法的研究，提出了在MPP高性能计算机上的一种静态分配数据的分布式并行算法。该算法通过间隔选取分析盒子和模式格点纬圈行，将数据分配给不同的处理机实现分布式并行。该并行算法负载平衡好，并行效率高，而且并行化代价较低，具有良好的可扩展性。最后，给出了并行算法的性能测试结果。     

浅水波模式半拉格朗日方法的并行研究

该文研究的问题是分布式并行计算机消息传递方式下半拉格朗日并行算法, 重点研究二维浅水波并行模式中有关子区域过渡带(HALO)的问题和有关求解赫姆霍兹方程的并行算法。进行了一系列的对比试验, 研究在不同分辨率下模式的并行效率的问题。结果表明:采用分区域并行计算的方法, 可得到较好的并行效率。模式中使用半拉格朗日方法处理平流项是有利的, 在分辨率高时, 可有效地提高计算速度。     

超级计算机上矩阵乘的并行计算与实现

数值预报系统中经常要用到矩阵乘运算。在分布式超级计算机 (如IBM-SP) 上, 矩阵乘的并行计算需要较多的数据移动, 有效的数据传输对矩阵乘的实现至关重要。该文讨论了两种矩阵乘的并行算法, 一种是基于矩阵的列-行划分方式, 一种是基于矩阵的网格划分方式。在IBM-SP计算机上的实验结果表明, 网格划分的矩阵乘并行算法通讯开销更小, 并行效率更高, 其并行加速比较列-行并行算法改善约10 %。     

神威机上集合数值天气预报系统功能概述

文章对自主研制的基于神威巨型机的并行化集合数值天气预报系统的研制背景、系统组成、主要技术特点和应用发展前景作了一简要介绍。     

BCCAGCM模式在神威·太湖之光系统的优化

开展气象数值模式在神威·太湖之光系统的移植与优化,对研究模式与新型计算架构的适应性有重要意义。该文以BCCAGCM模式为研究对象,将其移植到神威·太湖之光全国产异构众核计算系统,进行性能分析,对模式动力框架和物理过程计算结构进行调整,将计算核心段采用OpenACC技术进行众核加速优化,大量代码进行算法重构。结果表明:各核心段计算效率基本达到未优化的3倍左右,最高可达14倍左右,将各核心段集成,形成异构众核集成版本,可正确、稳定运行,计算误差合理。在不同并行规模,采用从核对模式整体计算进行加速效果比较稳定,基本保持在1.9倍,26000核并行规模动力试验并行效率约70%,其他试验约为57%。     

双CPU并行算法求解Poisson方程零边界值问题试验

本文是把传统的大气、海洋问题中常用的串行迭代法——Liebmann方法（点迭代）和局地格林函数迭代法（局地点迭代），从算法上变成适合于IBM—4381（P03）双CPU并行执行的并行算法，求解Poisson方程零边界值问题。实例计算试验表明:上述两种方法的并行算法的效率是同一计算问题的串行算法的1.8倍和1.9倍；若把区域扩大，局地格林函数并行迭代效率可达2.8倍，大大超过IBM公司所称P03型机是P01型机的1.7倍的效率；本文还指出IBM-4381（P03）型计算机的两个CPU在执行并行运算时，可以共享数据组。     

台风路径数值预报模式的并行化及路径预报误差分析

国家气象中心台风路径数值预报模式经过串行优化及程序并行, 成功地实现了在国产超级计算机神威上的并行运算, 并可满足业务时效要求。基于并行程序及神威机计算平台的台风路径数值预报业务系统于2002年6月30日投入实时运行, 其初估场与侧边界条件从T106L19模式产品升级为T213L31模式产品 (称为基于T213台风预报系统, 原串行系统称为基于T106台风预报系统)。通过对2002年夏秋季台风路径的检验, 总体来看, 基于T213台风预报系统48 h内的平均路径预报误差小于基于T106台风预报系统的路径预报误差。对西行及西北行登陆的台风, 基于T106台风预报系统的48 h预报好于基于T213台风预报系统的预报。对于转向台风而言, 转向后的预报, 基于T213台风预报系统的预报要好于基于T106台风预报系统的预报, 有效地减小了基于T106台风预报系统对转向台风路径预报的系统性误差:即台风转向后预报路径较实况路径偏西。     

BCC_AGCM大气环流模式异构众核加速技术

针对未来高性能计算在CPU混合架构上的发展趋势,本文对大气环流模式BCC_AGCM中的部分核心段在混合架构的神威·太湖之光高性能计算机系统上进行众核加速分析与优化。文中以核心段quad为例,通过对代码内容结构重写和使用OpenACC语言对程序进行运行指示的方式,将该核心段成功移植加速并通过了结果正确性验证。结果表明,使用OpenACC语言能够以对源代码的较小改动来获得一定的加速比,在异构环境中源代码优化加速提升的效果取决于程序结构、循环并行颗粒度以及地址连续性。     

神威集合预报可视化实时监控系统在神威机上的设计与实现

根据神威集合数值天气预报的运行特点, 针对其运行过程中可能遇到的问题, 介绍了自主研制的可视化实时监控系统的解决方案。     

基于WRF模式的青岛近海能见度算法比较研究

采用GFS背景场资料和ADAS资料同化系统,使用WRF模式对2014—2016年青岛近海17个海雾个例进行了模拟,分析了3种能见度算法的预报效果。结果表明, FSL（Forecast Systems Laboratory）算法对于沿海站、岸基站雾的预报较SW99（Steolinga and Warner 1999）算法有优势;对于海岛站而言,SW99算法则优于FSL算法。混合算法CVIS（Combined Visibility）较单一算法预报雾准确率有所提高。3种能见度算法基本上是高估能见度的,SW99算法能见度预报均方根误差最大。另外,SW99算法对沿海站、岸基站雾开始时间预报较实况多偏晚,结束时间预报较实况多偏早,持续时间预报较实况多偏短。     

神威机上集合数值天气预报系统中文件资料的管理

从文件资料的命名、存放与输入输出管理三个方面介绍了在神威集合数值天气预报系统中对大规模文件资料的管理实现。     

一个黄渤海海雾大气水平能见度算法

为了提高对黄渤海海雾天气海面大气水平能见度（以下简称“能见度”）的数值预报能力,利用黄渤海23个沿岸和岛屿测站2013—2017年雾天的地面观测数据,构建了基于湿度信息的能见度算法（A-F算法）,并将之应用于黄渤海海雾的能见度数值预报。结果表明,与常用的根据模式预报的云水含量诊断能见度的SW算法（Stoelinga and Warner,1999）相比,A-F算法表现更优,尤其可以诊断出被SW算法漏报的能见度为1～3 km的轻雾,说明A-F算法对黄渤海海雾天气能见度的数值预报具有一定应用价值。若将来加入浮标与船舶观测数据,可以进一步改进A-F算法能见度公式的具体形式;依据本文构建A-F算法的思路,可以发展适合其他海域的海雾天气能见度诊断公式。     

常用分布函数编程算法与新统计检验法

研制了Ｆ分布,Ｘ＾２分布和ｔ分布的编程算法,并在此基础上提出了新的统计检验法,免除了繁琐的手工查算,解决了自动分析中自由度随机变动时,传统检验法不能准确检验的难题,从而实现了统计分析自动化,精确筛选因子建立预报方程,这一工作是对传统检验方法的重大改进,适合广大气象台站应用。     

IBM 4381-P03型双CPU计算机实现NWP模型的并行计算

本文介绍数值天气预报（NWP）问题，用IBM4381—P03型计算机的两个CPU，实现气象物理模型x-y方向“分解-联合”的自稳定差分格式的并行计算的初步情况:（1）4381-3型的CPU可按通常理解的分开任务方式实现并行计算；（2）MVS大型操作系统控制VS FORTRAN库中的MTF（Multitasking Facility）实行分开任务-并行处理-等待同步，从而实现NWP模型的并行运算，这在我国气象问题计算中还是第一次，今后卫星数据处理的新方案可用4381-3双CPU并行处理，老方案也可逐步变成并行计算；（3）并行加速达到1.3—1.5，尚未达到IBM公司的1.8加速水平，还有潜力可挖。     

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是:暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1<0同时MPV2≧0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是:在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。      

西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨的异同特征分析

利用1°×1°NCEP再分析资料和地面加密自动站资料,通过对2007年四川盆地盛夏3次西南低涡与不同系统相互作用时形成四川盆地暴雨过程的环流特征、影响系统以及风暴相对螺旋度、湿位涡、水汽通量等物理量场特征进行对比分析,找出西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨过程中各物理量的异同点。分析表明,西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的共同点是：暴雨发生在西南低涡中心附近,西南低涡暴雨区内存在着稳定的上升气流和水汽辐合,伴有明显的能量释放特征,西南低涡暴雨都是发生在对流层中层螺旋度大值区,强降水一般出现在对流层低层MPV1〈0同时MPV2≥0的范围内,都具有“低层正涡度辐合,高层负涡度辐散”的典型暴雨动力结构。西南低涡与不同系统相互作用形成暴雨机制的不同点是：在西南低涡与高原低涡形成暴雨机制中高空急流的作用十分重要,在西南低涡与切变线形成暴雨机制中低空急流的动力作用十分明显,而深厚的西南低涡暴雨高低空急流作用不是十分重要。在西南低涡与切变线或深厚的西南低涡形成暴雨机制中锋面抬升作用明显,对流层高层MPV1正值区叠加在低层MPV1负值中心上,而与高原低涡相配合形成暴雨机制中锋面抬升作用不明显,不具有MPV1下负上正的结构。深厚的西南低涡暴雨是非移动的,而西南低涡与高原低涡或切变线形成的暴雨是移动性的。