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《浙江大学》 2012年
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基于物理概念的水文模型InHM机群并行计算研究

苏丹阳  
【摘要】:针对基于物理概念的水文模型及其并行计算系统相对缺乏的现状,研究并改进了基于物理概念的水文模型InHM,将其进行了并行算法移植,初步建立了InHM机群并行计算系统ParInHM,利用ParInHM对夏威夷Kaho'olawe岛100年水文响应和泥沙侵蚀进行了高精度的模拟,并对系统的有效性、效率等方面进行了测试。全文主要内容如下: (1)研究了基于物理概念的水文模型InHM。 InHM是第一个严格意义上基于物理概念的分布式水文数值模型,通过基于物理基础的流量一阶耦合关系来消除传统水文模型中地表模块和地下模块非耦合或序列耦合现象,建立地表/地下流体运动及溶质运移统一框架。 (2)开发了ParInHM机群并行计算系统,采用基于流域特征的任务分解方式,将一个大的任务区域分解成若干个子任务区域,然后对其进行并行求解。各子任务对应于一个相对独立的小流域,减少相互之间的数据交互,降低通信开销,使系统更适合于普通PC机群环境。由于InHM本身的独特优势,所使用的网格是基于实际地形的,为适应系统网格保留原始地貌形态的需要,本论文的开发了一种独特的流域提取算法对流域进行划分,算法无需对洼平地进行预处理,保留了原始地貌特征以及统一的网格结构。 (3)针对ParInHM机群并行计算环境,详细阐述了ParInHM流域并行系统模块开发,主要包括:基于消息传递的并行编程机制;任务划分与任务属性;并行调度方法,对比研究了并行调度中常用的LPT调度算法及有序算法,提出了静态调度与动态调度相结合的混合调度算法,并论证了该算法的优越性;ParInHM中流域数据同步机制,分布式数据存储,并行监控及异常处理等。 (4)利用ParInHM对夏威夷Kaho'olawe岛1926年至2026年的地貌演变进行了模拟。土壤侵蚀及流域变化等模拟结果符合地貌演变,说明了ParInHM模型在克服分水岭固定假设上的独特优势。通过对比InHM全岛一次性模拟结果以及ParInHM动态划分流域并行计算的模拟结果,对ParInHM模型的有效性进行检验。
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