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。     

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。     

一个数值天气预报模式的并行混合编程模型及其应用

提出了一个适用于数值天气预报模式的并行混合编程模型,归纳出混合并行算法设计的特点.依据该模型,针对国内发展的区域数值天气预报模式,开发基于MPI/OpenMP的并行版本.通过对五种并行方案的并行性能分析比较,发现其结果同抽象模型的分析结论是一致的.     

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。     

基于Web的数值天气预报系统的研究与设计

数值天气预报的运行,需要高性能计算机资源的支持,而高性能计算机是一种非常昂贵的资源,对于一些小型的组织和单位来说,是一种难以负担的资源。并且目前数值天气预报模式的运行大多是基于命令行方式的,对于非专业人员来说,是很难使用的。本文以WRF模式的运行为例,通过开发用户友好的使用界面,以Web服务的形式提供给用户,方便用户操作。同时,利用兴起的云计算技术,将系统部署到云环境中,充分利用云中的高性能计算机资源,可以节约成本,也有利于业务的迅速开展。     

大数据时代：数值天气预报的机遇与挑战

随着地球观测系统及数值模拟方法的不断发展,数值天气预报研究进入以数据驱动为核心的新范式,大气科学也迈入了大数据时代,大数据技术赋能数值天气预报发展成为大气科学研究的热点方向。从气象海洋大数据的内涵、分类及其特征出发,概括和梳理了气象海洋大数据在数值天气预报的应用,从技术方面,对资料同化、物理过程参数化、数值预报产品订正,以及机理与数据融合的模式开发等问题进行分析,并对相关应用进行了深入探讨和展望,从而为气象海洋大数据与数值天气预报的融合发展提供重要参考依据。     

一种面向并行空间查询的数据划分方法

在并行空间数据库中,空间数据集在各计算节点是否聚集划分,对提高空间并行查询效率起着关键的作用.Oracle Spatial采用的基于格网的划分方法只考虑了数据集在各节点是否均衡划分,而未考虑空间数据的拓扑特征.基于空间数据聚集划分的目的,提出了一种基于K-平均聚类算法的空间数据划分方法.实验证明,该方法极大地提高了空间数据并行检索和查询效率.     

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-Cluster1600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.     

面向并行应用程序的DAG模式复用技术

在并行应用程序设计中可以用有向无环图(DAG)表示子任务之间的依赖关系,从而实现子任务的调度。为此,针对DAG数据驱动模型中的DAG模式复用问题,提出插件式DAG模式图库。将DAG模式图模块和运行时系统模块分离,增强模块的复用性和扩展性。在Easy PDP系统中实现并扩展该模式图库。以棋盘问题为例,证明该技术可降低扩展系统所需的代价。     

风暴潮数值模式的并行化

实现了风暴潮数值模式基于MPI的并行化;根据该模式数值计算的特点提出了一种并行求解三对角方程组的新方法,相对于传统算法编程简单而且并行效率更高;负载平衡是并行程序性能优化首先要解决的问题,以水格点的个数作为任务分解的标准,实现了较好的负载平衡,相比水陆格点不作区分的分解方法性能有明显的提高;在SMP平台上使用8个CPU时加速比可以达到7.0,在集群平台上为6.5。     

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。     

有向图并行计算中的多目标剖分算法

在以离散网格为基础的某些数值模拟中,网格间的数据依赖关系可以抽象为有向图．如何剖分这些有向图成多个子图,将各子图对应的数值模拟任务映射到不同的处理机,是该类数值模拟并行计算的基础．剖分算法中,需要综合考虑连通性、并行度、负载平衡、通信开销四个目标．文章在传统有向图剖分算法的基础上,提出了一个权衡这四个目标的有向图多目标剖分区域分解算法．应用于二维非结构网格上的柱对称中子输运并行计算中,通量扫描并行算法在该区域剖分算法上获得的并行效率比原来的无向图区域剖分算法高50％以上．     

球面小波背景误差协方差模型的设计

在全球变分资料同化系统中设计和实现了基于球面小波的背景误差协方差（B）模型。引入框架理论构造了球面小波函数;设计了一个基于球面小波变换的全球B矩阵模型;分别通过理想数值试验和在全球变分同化系统中的实现对新模型的有效性进行了验证。试验结果表明：基于球面小波的背景误差协方差模拟方法能够克服由有限背景误差样本引入的取样噪声,能估计出真实的背景误差相关函数;在全球变分同化系统中新模型能够模拟出在物理和动力上正确和有效的背景误差结构函数。