数值天气预报中谱方法的并行实现

§1.引 言 谱方法是上世纪七十年代发展起来的应用于大规模数值天气预报模式系统的数值方法.近年来谱方法已成为求解偏微分方程的重要数值方法之一[1,2],与经典的网格点方法相比,它具有计算精度高、稳定性好、程序简单而有效的突出特点.谱方法虽然有计算量和存储量均大的缺点,但超级并行计算技术的发展推动了谱方法的进一步发展和应用[3,4].近十年来,谱方法在数值天气预报领域的应用越来越广泛,不仅应用于全球数值天气预报模式而且应用于有限区域数值天气预报模式.     

多核并行计算中Cache伪共享的研究

随着多核计算的快速发展,多核并行计算是多核高性能优势的主要利用之一,而高速缓存在提高计算机性能上有着十分重要的作用。本文首先介绍Cache的基本结构,接着分析在数值型的并行计算中遇到的Cache伪共享问题,最后针对问题给出相应的解决方案,并以具体的实例验证了解决方案的可行性。     

天气预报有限差分格点模式并行计算研究

有限差分格点模式是目前广泛采用的中尺度数值天气预报模式之一。本文分析了有限差分格点模式典型代表MM5并行计算的特点，对其多重网格嵌套、数据划分、通信、优化等做了深入研究，最后给出了MM5模式在银河巨型计算机上的测试结果。     

新一代数值预报模式GRAPES的并行计算方案设计与实现

GRAPES(global and regional assimilation and prediction system)是由中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室自主研究开发的中国新一代数值天气预报系统,其目标是科研/业务通用.为了实现这一目标,结合高性能计算机的体系结构设计并实现模式的并行计算是必不可少的.作为核心开发技术之一,GRAPES系统设计并实现了模式的并行计算方案,包括中尺度有限区模式的并行计算和全球模式并行计算.GRAPES模式并行计算版本在IBM-Clusterl600上的测试表明,GRAPES模式的并行计算程序正确、稳定、有效,为其业务化之路奠定了基础,同时也为系统未来的可持续开发、优化创造了条件.     

高性能并行计算在航空航天CFD数值模拟中的应用

本文介绍了高性能并行计算在CFD数值模拟中的应用。CFD高性能并行计算可扩大求解规模,加快求解速度,是CFD实现高效计算的必然发展趋势。本文通过"数值风洞"的概念分析了CFD高性能计算的应用前景及对高性能计算的需求。通过某乘波飞行器前体并行算例对8～256CPU的CFD大规模并行效率和加速比进行了分析,并将CFD并行计算应用于高温热化学非平衡的返回舱数值计算中。     

局域网分布式并行计算环境的建立及应用

主要介绍了以PVM系统作为局域网并行计算平台,在工作站机群上,建立了局域网分布式并行计算环境,简单介绍了在此并行环境中开发的多层二维二相油藏数值模拟的并行计算软件,利用工作站机群开发并行油藏模拟软件是为了探索解决大规模油藏模拟的行之有效的方法。     

基于多核并行计算的无人机CFD数值模拟

随着计算机系统向多处理器多核架构发展，针对航空工程技术高精度大规模求解问题，提出了一种高效、准确的无人机CFD（Computational Fluid Dynamics）数值模拟多核并行计算方法。对典型机翼进行了串行解法和并行解法的数值校验，验证了以N-S（Navier-Stokes）方程为主控方程的数值求解方法的正确性。接着对比了串行计算和并行计算的时间、加速比等性能，最终获得了针对无人机整机的一种高效的并行计算方法，并对某无人机整机纵向气动特性进行了数值计算。采用FLUENT脚本记录功能，实现不同工况按编译顺序自动计算、保存数据和切换，提高了计算效率。从模块角度详细介绍了CFD串行、并行计算的工作原理，为采用并行计算的方法提供了依据。     

航天领域高性能并行计算研究进展

航天领域的大规模科学与工程问题的数值模拟既依赖于高性能并行计算的支撑,同时也是高性能并行计算发展的动力。综述了航天领域高性能并行计算的研究进展,对高性能并行计算环境进行简单介绍,对相关研究领域包括气动力、气动热、化学非平衡、结构强度、热防护、蒙特卡罗方法和湍流研究等进行分类和详细阐述;总结了航天领域高性能并行计算存在科学计算高并行效率和工程计算低实用价值、并行应用的多样性和缺少科学的并行方法的矛盾,并指出了进一步研究方向。     

一种基于移动Agent的分布式并行计算模型

针对传统的分布式并行计算方案所存在的缺点,提出了一种基于移动Agent技术的分布式并行计算模型。在简单介绍移动Agent技术后,给出了基于移动Agent的分布式并行计算模型,并详细叙述了该模型的具体工作过程和实现方案。模型设计完成后,用此模型来解决计算量很大的数值计算问题。首先利用数学工具分析设计出该问题的适合于分布式并行计算的方案,然后依照模型实现实验程序。实验测试表明根据该模型实现的分布式并行计算程序具有较高的加速比和并行效率,并有效地提高了分布式并行计算的稳定性、灵活性、可扩展性和移动性。     

一种基于移动Agent的分布式并行计算模型

针对传统的分布式并行计算方案所存在的缺点,提出了一种基于移动Agent技术的分布式并行计算模型.在简单介绍移动Agent技术后,给出了基于移动Agent的分布式并行计算模型,并详细叙述了该模型的具体工作过程和实现方案.模型没计完成后,用此模型来解决计算量很大的数值计算问题.首先利用数学工具分析设计出该问题的适合于分布式并行计算的方案,然后依照模型实现实验程序.实验测试表明根据该模型实现的分布式并行计算程序具有较高的加速比和并行效率,并有效地提高了分布式并行计算的稳定性、灵活性、可扩展性和移动性.     

基于网格的中尺度数值天气预报系统设计与实现

针对国家高性能计算环境网格计算的特点，在长沙网格点上实现了一个包括全球中期数值预报、有限区域数值预报，数值预报产品释用和五维数据可视化相配套的高分辨率中尺度数值天气预报系统。该系统的预报区域可以移动，网格可以加密，适合于区域和省一级气象中心作中尺度数值预报业务试验和尺度数值预报科学研究。介绍了该系统的组成、区域同化方案以及网格计算实现技术。     

MM5在深腾6800上的移植及其数值计算方法研究

MM5是当今世界各国中短期天气及气候预测、实时预报和环境检测中使用十分广泛的数值模式,因此,如何提高软件的计算精度和计算效率是一个十分重要的问题．本文简要介绍了MM5的数值计算方法,为以后的研究提供帮助,并把MM5软件移植到深腾6800上进行并行计算．发现每当处理器增加一倍,其加速比为原来的1．5倍,可见其并行效率是较好的,值得在气象科研和业务中广泛使用．     

边缘海静力数值预报模式并行算法研究

边缘海静力数值模式是国内针对边缘海特点自主开发的数值预报模式,但该模式因物理求解方程较多且采用不宜并行化的SOR求解算法而程序计算时间过长。针对上述问题,提出基于三维网格和海洋模式特点的SOR并行求解算法,该算法在保留三维网格数据间依赖关系的同时,有效解决了SOR迭代算法难以并行化的问题。同时,引入通信避免算法,采用MPI非阻塞通信方式,细分计算和通信过程,利用计算有效隐藏通信开销,提高了并行程序效率。实验结果表明,并行后的边缘海静力数值模式程序的性能相对串行程序提升了60.71倍,3天(25920计算时间步)预报结果的均方根误差低于0.001,满足海洋数值预报的时效性和精度要求。     

全球气象资料质量控制的一种粗粒度并行计算调度策略

本文针对中期数值预报全球粢资料同化系统中的质量控制并行计算问题,在分析最优插值方法和盒方法的基础上,提出了一种负载平衡的计算调度策略。依据该策略,设计并实现了相应的粗粒度并行算法,取得了满意的效果。     

一个分布式作业监控系统的设计与实现

ＤＪＭＴ是一个分布式的作业监控系统,本文主要介绍了ＤＪＭＴ作业监控系统的软件结构和实现技术,讨论了系统的作业运行机制,给出了相关算法,并描述了系统的重要功能,目前,ＤＪＭＴ已成功应用于数值天气预报业务系统中。     

曙光高性能计算机在数值预报模式中的应用

文中首先介绍了中国气象局武汉暴雨研究所高性能计算机应用现状和目前的模式业务系统,针对气象预报模式精细化对计算能力的更高需求,中国气象局武汉暴雨研究所采用曙光高性能计算机集群对原有集群系统进行升级,升级后的计算节点CPU可提供11.40 TFlops的双精浮点计算能力;其次,讨论了升级后的高性能计算机几个关键技术的现状并对未来进行展望;最后以WRF模式为例,对升级后的高性能计算机的性能进行了分析,得到了较好的加速比。结果表明：新升级的集群系统将大大节省区域高分辨数值预报模式运算时间,有助于提高科研成果的转化效率。     

Ontological and Algebra-Algorithmic Tools for Automated Design of Parallel Programs for Cloud Platforms

An approach to the automated development of programs is proposed on the basis of ontological facilities and algebra-algorithmic tools for program design and synthesis. The approach is illustrated by examples of developing a parallel weather forecasting program and also a software application destined to run the developed program on a cloud computing platform.     

气象应用基准测试程序MM5 Benchmark并行性能优化

由美国国家大气研究中心(NCAR)和宾夕法尼亚大学(PSU)共同开发的MM5模式是目前气象领域广泛采用的中尺度模式之一。由于MM5模式的广泛应用和计算特点,MM5 Benchmark成为了高性能计算领域衡量计算机实用性能的典型应用之一。本文介绍了MM5模式的并行计算方法,针对目前流行的Intel Itanium-2 CPU特点,在性能分析的基础上,从编译选项、代码优化、区域分解、处理机拓扑结构等方面对程序性能进行优化。实际测试结果表明,在某国产巨型机上优化后的持续计算性能最大提高20%左右。     

数值天气预报全球谱模式并行计算研究

本文首先给出数值天气预报全球谱模式的控制方程；接着，利用数值天气预报全球谱模式计算的复杂性和数据整体相关性，给出了基于二维数据剖分方法的并行算法，并从负载平衡、减少通信延迟以及Cache与I／O优化三个方面给出了并行实现策略。