利用WRF模式进行高性能计算机并行计算评测

在大规模集群高性能计算机系统上进行WRF模式并行计算测试,研究WRF模式不同水平分辨率和垂直分辨率与并行计算时间、并行加速比和并行效率的关系。测试结果表明,随着并行计算使用计算核心个数的增加,并行计算时间减少,并行加速比增大,并行效率则降低;在使用计算核心个数相同的情况下,随着水平分辨率的提高,WRF模式并行计算时间增加,并行加速比增大,并行效率也提高。     

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。     

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。     

并行效率的初步研究

用有限区域中尺度差分网格模式，采用分区域并行计算方法，在TRANSPUTER并行计算机上研究大规模并行计算中计算问题复杂度与并行计算效率的关系。结果表明，采用适当的并行计算法，增加处理机个数和计算问题的复杂度可使并行加速比增大；并行效率则随着处理机个数的增加而降低，随着计算问题复杂度的增加而提高；大规模并行计算能明显地提高计算速度，很适合于解决大量计算的问题，在数值预报方面具有广阔的发展前景。     

基于MPI技术的AREM模式并行开发及试验

应用消息传递接口函数库（MPI）并行程序设计技术开发了中尺度暴雨数值预报模式AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）的并行版本,并在3种计算机系统平台下进行了加速比测试,结果显示出较高的并行效率和较好的可扩展性。建立并行版本后,模式高分辨率版本能够满足时效性要求。通过采用并行模式的高低分辨率版本对一个暴雨个例进行模拟表明,高分辨并行版本的模拟结果与观测更为接近,并具有较好的预报时效性。     

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。     

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。     

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 %。     

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。     

A new adiabatic kernel for the MC2 model

Abstract

Traditional semi‐implicit formulations of nonhydrostatic compressible models may not be stable in the presence of steep terrain when pressure gradient terms are split and lagged in time. If all pressure gradient terms and the divergence are treated implicitly, the resulting wave equation for the pressure contains off‐diagonal cross‐derivative terms leading to a highly nonsymmetric linear system of equations. In this paper we present a more implicit formulation of the Mesoscale Compressible Community (MC2) model employing a Generalized Minimal Residual (GMRES) Krylov iterative solver and a more efficient semi‐Lagrangian advection scheme. Open boundaries now permit exact upwind interpolation and the ability to reproduce simulations to machine precision is illustrated for one‐way nesting at equivalent resolution. Numerical simulations of hydrostatic and nonhydrostatic mountain waves demonstrate the stability and accuracy of the new adiabatic kernel. The computational efficiency of the model is reported for 1D Jacobi and 3D Alternating Direction Implicit (ADI) line relaxation preconditioned implemented with a parallel data transposition strategy.     

Application of the Characteristic CIP Method to a Shallow Water Model on the Sphere

Semi-implicit algorithms are popularly used to deal with the gravitational term in numerical models. In this paper, we adopt the method of characteristics to compute the solutions for gravity waves on a sphere directly using a semi-Lagrangian advection scheme instead of the semi-implicit method in a shallow water model, to avoid expensive matrix inversions. Adoption of the semi-Lagrangian scheme renders the numerical model always stable for any Courant number, and which saves CPU time. To illustrate the efficiency of the characteristic constrained interpolation profile (CIP) method, some numerical results are shown for idealized test cases on a sphere in the Yin-Yang grid system.     

Dedication: John Patrick Tully 1906–1987

Abstract

A shallow‐water control‐volume model is used to demonstrate features affecting the accuracy of numerical ocean‐atmosphere calculations. This model provides a context for illustrating the importance of consistent use of fields defined at points and fields averaged over cell volumes, cell faces and other surfaces. The accurate transformation between various averaged fields is demonstrated. Application of semi‐Lagrangian and COSMIC advection within N‐cycle time stepping is explored and compared with a control volume scheme that is time step limited. A fourth‐order accurate implicit solution for the potential update is demonstrated using two applications of a second‐order full multigrid solver with a defect correction. The defect correction does not make a significant correction to the potential update for our control‐volume formulation. It follows, therefore, that a single application of the second‐order solver effectively gives fourth‐order accuracy. On the other hand, potential gradients do need to be calculated using fourth‐order differencing or accuracy will suffer. Furthermore, calculating potential gradients at second order within an otherwise fourth‐order accurate spatial differencing scheme can result in unphysical eddies developing.     

基于新型LE水平跳点网格的阴阳网格平流方案设计

为了模拟球面平流传输过程,本文基于球面阴阳重叠网格设计了一种两时间层半拉格朗日平流方案.该方案在球面坐标下采用新型的LE水平跳点网格,同时针对阴阳网格重叠区,采用了不同插值方法进行比较分析,且进行了相关的理想数值试验对方案设计效果进行评估.数值试验表明方案设计是成功的,阴阳网格重叠区平流对插值方案比较敏感;半拉格朗日方案能较好地模拟球面刚体平流和变形涡旋的结构、位置及演变过程,并具有较好的数值稳定性和较高的数值精度.     

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。     

半拉格朗日方法在全球原始方程模式中的实现

简单介绍了半拉格朗日平流方案的基本概念,并详细总结了基估全球原始方程模式,特别是在ＩＦＳ的具体实现过程,拉格朗日平流的观点是着流体质点看流体运动,基贩关键是流体轨迹的计算。轨迹中点和起始点水平坐标的示得可以利用球面三角,直接在球极坐标中进行,并采用一些较高的近似。为了充分获得半拉格朗日方案析益处,在起始点的内插能工巧匠春阶数至少应在四阶以上,为避免昂贵的三维三次内插,可以采用三维“准三次”内插 。     

IAP AGCM-4动力框架的积分方案及模式检验

以灵活性跳点格式和时间分解算法为重点, 介绍了IAP (中国科学院大气物理研究所) AGCM-4的动力框架, 并用R-H (Rossby-Haurwitz) 波和Held-Suarez方案对框架进行了检验。结果表明: 高纬灵活性跳点格式很好地保持了普通跳点格式的各种性质, 未产生计算紊乱现象, 可在一定程度上增大时间步长, 在未采用滤波处理时增大时间步长的效果更为显著; 时间分解算法, 即将平流过程与适应过程分开计算, 二者都采用3次非线性迭代积分方案, 在N=5和N=10 (N为平流过程时间步长与适应过程时间步长的比值) 的情况下, 可分别节省CPU时间10.7%和19.9%; R－H波检验表明, 在积分的前80天, 框架较好地保持了R－H 4波的波形, 总有效能量仅衰减0.1%, 从第80天开始, 风场波形开始变形和破碎, 对应的动能和总能量也开始急剧衰减, 至第365天, 总有效能量衰减约8%, 此时, 风场和高度场亦变得较平直。经分析, 第80天R－H波破碎的主要原因是平流项的计算误差使R－H波失稳, 而其后的高度场和风场的变平直是典型的旋转适应机制; Held－Suarez方案检验也证明该框架是可靠的。     

PRM标量平流方案在GRAPES全球预报系统中的应用

如何更好地模拟水物质的分布,对于数值天气预报效果的改进,特别是对于更好地模拟降水过程,具有重要的意义。半拉格朗日模式中的标量平流计算要求做到高精度、守恒、正定和保形,但GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 中采用的QMSL(Quasi-Monotone Semi-Lagrangian)平流方案在水汽的强梯度、不连续区域计算精度较低,且不能做到严格守恒。本研究借鉴计算流体力学领域的研究进展,将一个基于分段有理函数的物质平流方案PRM(Piecewise Rational Method)引入GRAPES_GFS中,按照通量形式求解水汽方程,并对极区进行了混合等技术处理。通过一系列理想试验对两种平流方案进行了对比,证明了PRM方案精度较高,特别是在水汽梯度大的区域优势明显,频散、耗散误差较小,守恒、保形性也要好于QMSL方案。通过对GRAPES_GFS中批量预报试验效果的检验,验证了PRM方案可以有效地改进模式对水物质分布的模拟,提高了降水的预报效果,对模式综合预报性能的提升也有明显作用。     

Application of a Shape-Preserving Advection Scheme to the Moisture Equation in an E-grid Regional Forecast Model

This paper presents a methodology which is very useful to design shape-preserving advection finite difference scheme on general E-grid horizontal arrangement of variables through introducing a two-step shape-preserving positive definite advection scheme in the moisture equation of the LASG-REM (LASG regional E-grid eta-coordinate forecast model). By trial-forecasting six local heavy raincases, the efficiency of the shape-preserving advection scheme in practical application has been examined. The LASG-REM with the shape-preserving advection scheme has a good forecasting ability for local precipitation.     

An advection scheme based on the combination of particle mesh method and pure Lagrangian approach

Possibility of using pure Lagrangian approach in modeling transport phenomena is described in this paper. The application of pure Lagrangian approach in real atmospheric field induces highly irregular spatial distribution of grid points, after only a few time steps. In order to avoid problems caused by that irregularity, a quasi interpolation procedure is proposed. Proposed interpolation procedure is similar to the radial basis functions interpolation and does not impose any demands about spatial distribution of the grid points or about continuity and differentiability of the field that needs to be interpolated. Besides that, proposed procedure is explicitly mass conserving. Combination of particle mesh method and pure Lagrangian approach creates efficient transport scheme that does not produce any new local maxima and minima in advected field. In proposed advection scheme motion of points are performed in Lagrangian manner while spatial derivatives are evaluated on the basis of values interpolated onto regular grid. Applicability of proposed advection scheme in an unambiguous way is proved by performing “standard” numerical tests with (i) the slotted cylinder under solid body rotation, (ii) the test with Doswell’s idealized cyclogenesis as well as (iii) integration of shallow water equations.