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数值气象预报变分同化的伴随模式并行计算

孙安香  
【摘要】: 可扩展并行计算技术与数值气象领域研究成果相互渗透,对发展高性能并行计算机的应用、提高数值气象预报水平、促进并行计算机的研制,具有极为重要的意义。本文针对“十五”期间“我军新一代全球数值预报业务系统”、国家气象局组织的“新一代多尺度数值预报系统”,紧跟国际并行计算和数值气象技术研究前沿,基于可扩展并行计算和伴随变分同化原理,研究伴随模式可扩展并行算法和并行实现技术,设计高效可扩展并行计算伴随模式。本文的研究和创新工作概括如下: 1)提出了建立伴随方程的分解技术;分别从连续的、离散的非线性二维浅水波模式,建立其伴随模式。 2)设计了伴随模式的基于区域分裂方法的“Arakawa C—网格”离散并行算法;该并行算法具有并行计算高效可扩展性。 3)提出了伴随模式的基于3次数据剖分、4次矩阵二维转置数据重分配的并行谱离散方法;该并行算法实现了谱离散方法全部并行计算过程的负载平衡、减少了通信开销,具有并行计算高效可扩展性。设计了国内第一个高效可扩展并行化中期数值天气预报谱模式系统PT106L19:与CCM3相比较,具有并行计算性能高、可扩展性好;与T_L213L31相比,具有相同的高效并行计算性能。 4)提出了谱离散伴随模式并行计算的有效循环数据分配方法,采用该方法在某分布式存储并行计算机上32台处理机并行计算效率提高了30.7%。提出了伴随模式并行计算的蝶网数据重分配方法,所占开销较环形算法少。提出了伴随模式并行谱离散方法的计算与通信重叠、结构性数据通信的通信隐藏技术,采用该技术在某分布式存储并行计算机32台处理机上并行计算效率提高了12.9%。 5)提出了谱离散伴随模式与预报模式的并行计算设计原理具有相同性;应用连续方法和不连续方法相结合,设计业务系统Semi—Lagrangian谱离散模式T_L213L31的伴随。


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