GRAPES全球模式MPI与OpenMP混合并行方案

随着多核计算技术的发展,基于多核处理器的集群系统逐渐成为主流架构。为适应这种既有分布式又有共享内存的硬件体系架构,使用MPI与OpenMP混合编程模型,可以实现节点间和节点内两级并行,利用消息传递与共享并行处理两种编程方式,MPI用于节点间通信,OpenMP用于节点内并行计算。该文采用MPI与OpenMP混合并行模型,使用区域分解并行和循环并行两种方法,对GRAPES全球模式进行MPI与OpenMP混合并行方案设计和优化。试验结果表明:MPI与OpenMP混合并行方法可以在MPI并行的基础上提高模式的并行度,在计算核数相同的情况下,4个线程内的MPI与OpenMP混合并行方案比单一MPI方案效果好,但在线程数量大于4时,并行效果显著下降。     

OpenMP在MM5中尺度模式中的应用试验

简要介绍了一种新的并行编程标准——OpenMP通过与其他几种并行编程标准的比较,了解其优越与不足之处。详细介绍了OpenMP在PSU/NCAR的中尺度模式MM5中的运用。分别用OpenMP并行方式与MPI并行方式在SGI Origin 2000上进行了并行效能测试。测试结果表明：OpenMP是一种简单、高效的并行编程标准,非常适合于气象科研与业务领域应用。     

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。     

基于J-Earth领域编程框架的高效并行大气环流模式(H-GAMIL)构建

高性能并行计算,一直是气候系统模式研究中的重要科学前沿。然而,随着计算机技术的发展,计算机体系结构越来越复杂,以及气候系统模式本身的复杂性使得开发高性能气候系统模式成为一个难题。采用了一种全新的并行程序设计方法:基于针对气象科学中的计算特点发展出的领域编程框架J-Earth,构建了高性能并行大气环流模式H-GAMIL。在对原模式GAMIL分析和解构以后,结合J-Earth的特点,采用面相对象的编程方式,对H-GAMIL进行重构。重构后的H-GAMIL具有现代软件标准化模块化的特点,并具有自动二维剖分、MPI(Message Passing Interface)和Open MP(Open Multi-Processing)混合并行实现、并行输出等新功能。解决了原模式一维剖分受到处理器限制,串行IO等问题。在此基础上,本文对H-GAMIL进行了并行效率测试,结果显示,模式水平分辨率为1°(纬度)×1°(经度)时,可使用上千处理器核,并行效率达40%以上且负载平衡达70%。测试结果表明了H-GAMIL具有较好的并行效率和可扩展性;同时对H-GAMIL模拟性能进行对比分析,其结果表明H-GAMIL保持了原模式的守恒性,并且具有与原模式相当的模拟性能,能够满足气候研究的计算需求,达到实用程度。     

广州区域数值预报模式并行化计算

采用消息传递方式 (MPI) 对最近发展的广州区域数值预报模式进行了并行化计算研究。根据模式的结构和计算过程特点, 模式适合采用水平分区方案进行并行计算处理。在曙光3000并行计算机上分别采用一维和二维分区并行方案实现了模式的并行化计算, 并对模式的并行效率、并行加速比和并行通讯时间百分比等做了测试。对测试结果的分析表明:采用8个CPU时, 两种方案都能在1 h内完成72 h的预报, 一维分区方案的并行效率则保持在90 %左右, 可以满足业务运行需要。当模式使用8个以上CPU时, 通讯时间迅速增加并超过了计算时间的50%, 模式并行效率明显下降。CPU相同时, 模式一维分区并行方案比二维分区并行方案并行效率高且实现起来简单。     

中期数值预报系统T213L31在IBM/SP高性能计算机上的建立

在引进欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的全球谱模式的基础上，通过对原模式的分析改造，首次以分布与共享相结合的方式在国家气象中心IBM/SP高性能计算机上实现了全球谱模式的高效运行。采用调整向量长度、优化程序设计、完善消息传递机制和实现MPI与OpenMP的混合并行编程等方法，减少模式的通信量、计算量和内存的使用量，提高了计算效率。实现了在T213L31分辨率条件下，10天预报可以在3 h之内完成，达到业务对时限的要求。建立了与T213L31全球谱模式相配套的最优插值（OI）并行处理分析系统，解决了由于观测站点在全球不均匀分布所带来的计算负载不均衡问题。在此基础上，实现了T213L31全球资料同化与预报系统并建立了相应的自动作业监控系统。     

大气环流数值模式的一种并行化方案

从一般计算机并行计算理论出发,结合大气科学模式的特点,总结出一套对数值模式适用的并行化编程方案,而且提出了并行计算过程中应该注意的一些问题.利用文中提到的方案,可以帮助刚开始接触并行计算的模式编程人员快速完成串行数值模式的并行编程.最后,以一个串行的大气环流模式SAMIL并行化编程作为实例,对其并行计算过程和并行计算效率进行了描述和分析.     

A preliminary evaluation of high-performance advanced regional eta-coordinate model(H-AREM)

为验证高性能AREM模式(H-AREM)的并行性能,本文利用相同分辨率的AREM3.4P和H-AREM并行模式,比较了不同并行方法的影响;利用不同分辨率的H-AREM模式比较了不同剖分策略的影响。结果表明,基于并行框架的并行方法和二维剖分策略有利于并行性能的提升,HAREM在加速比和可扩展性方面都要优于原并行模式,特别是分辨率8 km的H-AREM模式能够扩展到8099核,在不显著增加计算时间的前提下具有更好的预报效果。     

并行技术在神威集合数值天气预报系统中的应用

文章讨论了基于神威巨型机的并行化集合数值天气预报系统中实现的各种并行算法, 性能分析结果表明并行方案最大限度的利用了神威机的处理器资源, 设计的并行算法效率较高, 满足了实时业务运行的时效要求。     

应用Open MP在Linux下实现MM5多线程运行

介绍了如何在Linux操作系统下，应用OpenMP编译选项实现MM5的多线程（并行）运行，笔记从用户使用OpenMP时可能出现的问题，到寻求解决问题的思路，到问题的最后解决，进行了说明，同时，介绍了使用OpenMP的优点。     

用OpenMP并行化气象预报模式试验

介绍可移植的共享内存并行编程应用程序接口 OpenM P, 通过对浅水波模式和复杂地形下的嵌套细网格模式的并行计算试验, 探讨它用于并行化气象预报模式的可行性, 并将其与 M PI 并行编程接口作比较。     

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%。     

多作业管理方式在风能资源数值模拟中的应用

通过对MM5和CALMET风能资源数值模拟耦合模式的计算流程分析,基于并行运算思想,设计了MM5和CALMET耦合模式模拟运算的多作业管理方式。在浙江省风能资源高分辨率数值模拟试验中,完成浙江区域1个月时间段的风能资源参数模拟运算,MM5和CALMET耦合模式在实施多作业管理方式前后,CALMET模式的运算时间由原来的1501.2 min缩短为149.5 min,运算时效提高了9倍;整个耦合模式的运算时间由原来的1709.9 min缩短为358.2 min,运算时效提高了4倍。数值模拟试验证实了多作业管理方式可在现有计算资源的基础上,大幅提高数值模式的运算时效,且随着数值模式模拟时间段的加长和模拟区域范围的扩大,多作业管理方式对数值模式运算功效的增强越加明显。     

数值预报MAPS模式并行化移植初探

通过武汉区域气象中心数值预报MAPS（Mesoscale Analysis and Process System)模式并行化移植的实例，介绍了如何使用共享内存，消息传递的并行方式进行数值预报模式并行化工作，对不同条件下并行MAPS模式的并行效率进行了比较。结果表明，对数值预报MAPS模式完成程序优化和共享内存方式以及消息传递方式的并行化等工作后，MAPS模式运算时间大为缩短，满足预报业务时效的要求。     

一个有限差分大气环流模式的并行效率

适合于大规模并行处理机（ＭＰＰ）的中国科学院大气物理研究所新一代九层大气环流模式（ＩＡＰ ９Ｌ ＡＧＣＭ）被发展成功。本文描述了并行模式的设计原则，给出了该模式的并行版本在我国几种主要的并行机上的并行执行效率数据。采用消息传递方式（ＭＰＩ）的区域分解方法用于实现程序的并行，结果表明，对于该模式，只有一维区域分解方法才能取得较好的并行可扩展性，即随着处理器的增加而能得到相应较好的并行加速比和并行效率。     

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。     

Performance of a parallel finite difference atmospheric general circulation model 1

A new version of the Institute of Atmospheric Physics (IAP) 9-Layer (9L) atmospheric general circulation model (AGCM) suitable for Massively Parallel Processor (MPP) has been developed. This paper presents the principles of the parallel code design and examines its performance on a variety of state-of-the-art parallel computers in China. Domain decomposition strategy is used to achieve parallelism that is implemented by Message Passing Interface (MPI). Only the one dimensional domain decomposition algorithm is shown to scale favorably as the number of processors is increased. This work is partly supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 49775268 and 49823002), the China National Key Development Planning Project for Basic Research (Grant No. G1998040905) and the CAS Key Innovation Direction Project (Grant No. KZCX2208).