徐冰[1]2002年在《数值天气预报半拉格朗日时间积分算法及其并行实现》文中研究表明基于并行计算设计的基本理论，本文针对分布式存储并行计算机的体系结构，提出了一个重迭边界优化的分布式并行计算模型，并以海洋环流模式为数值例子，通过选取合适的模型边界数，在保证算法精度的前提下，提高了算法的并行效率。 本文还对数值天气预报半拉格朗日时间积分中的插值算法(包括线性插值、准叁次插值和降阶插值)进行了详细的研究分析，实现了半拉格朗日时间积分的分布式并行算法，进行了并行计算性能的分析和评测，并通过具体的数值实验验证了算法的高效并行性能。 最后，文章对数值天气预报的外部接口—后处理过程进行研究和分析，对后继工作的开展进行了展望。
杨锦辉[2]2015年在《半隐式半拉格朗日非静力数值天气预报谱模式动力框架若干关键技术研究》文中进行了进一步梳理数值天气预报在过去几十年的发展中一直采用一个重要的近似:静力近似。随着计算机集群计算能力不断提升,数值预报模式的分辨率也越来越高,能够为用户提供更加精确的预报服务。一般而言,当水平分辨率优于10km时,静力近似已经不适用了。因此开发非静力模式是未来数值预报系统发展的迫切需求。相比静力模式,一方面非静力模式要增加预报变量,方程的形式更加复杂;另一方面非静力模式水平网格尺度更细,为了能够准确地显示高分辨率下小尺度地形引起的局部气象要素,需要很多特定的数值处理技术。本文针对现有非静力模式缺乏高精度垂直离散格式、模式误差增长估计手段不足等问题,在已有的数值方法基础上,对全球非静力谱模式绝热动力框架若干关键问题进行深入研究,主要工作包括:1.实现有限差分二维X-Z平面谱模式。二维X-Z平面模式是数值预报模式的研究模式,其方程组和数值离散要点同叁维有限区域预报模式保持一致。对垂直有限差分离散格式进行了精巧设计,使得其满足非静力模式的垂直约束。模式采用半隐式半拉格朗日时间平流离散格式,同时也对侧边界、上下边界条件分别进行了处理以保证计算结果的正确。在二维模式下,测试了四种山峰波测试样例以及重力波样例,验证了模式采用的数值离散格式的准确性和稳定性。2.实现垂直混合有限元有限差分二维X-Z平面模式。基于质量坐标的非静力模式垂直离散存在一系列的约束条件,应用有限元垂直离散被证明是难以实现的。本文提出了一个高精度混合离散格式,对半隐式格式的线性部分进行有限差分离散,对非线性部分进行有限元离散。同时为提高有限差分离散的精度,增加线性部分计算的分层数量。有限元采用四阶B-spline样条基函数。为方便处理垂直边界,先把垂直场投射到叁阶样条插值函数空间形成多项式分段函数,在处理完边界后再投射到B-spline空间。如此避免了B-spline样条基函数直接处理边界,使得有限元计算更加简洁高效。对二维有限元模式也进行了多种测试样例,并同有限差分进行了定性和定量的对比,结果表明混合有限元格式在精度上要优于有限差分格式。3.实现叁维全球非静力谱模式。叁维球面模式和二维模式的动力框架基本一致,但采用的谱方法基函数有区别,球面谱模式采用球面谐波函数为基函数。球面模式水平网格采用精简高斯网格,模式方程的曲率项通过半拉格朗日插值时方向转换矩阵引入。科氏力项采用的是隐式处理形式。对叁维模式进行了一系列的测试,包括稳定状态测试、斜压不稳定波测试、Rossby-Haurwitz波测试、山峰波测试等。测试结果验证了叁维模式的准确性和稳定性。4.研究混沌模型的初始误差增长特性,发现混沌模型的平均相对误差饱和值同初始误差值之间存在一个简单的对数线性关系:二者的对数和为常数。利用该关系,提出平均绝对误差的概念,混沌系统的平均绝对误差饱和值为与初始误差无关的常数。利用这一特性,给出一个定量计算可预报期限的数学估计模型。研究了混沌系统模型误差增长特性,发现模型平均绝对误差增长在短期内呈指数增长,一段时间后达到饱和。可利用模型误差增长指数大小和达到饱和值的时间作为衡量模型优劣的评价手段。
赵军[3]2007年在《数值天气预报资料同化关键技术及并行计算研究》文中指出资料同化是数值天气预报核心技术之一。其中四维变分资料同化被普遍认为是最有发展潜力的资料同化方法,对于改进高分辨率数值预报模式的预报效果具有十分重要的作用。切线性模式和伴随模式是建立四维变分同化系统的基础和重要组成部分,对于复杂的数值预报业务全球谱模式,其切线性模式和伴随模式的建立仍然是个难题。因此必须对谱模式的切线性和伴随模式进行关键技术研究,解决关键技术问题,才能建立谱模式的切线性和伴随模式。并行计算技术是数值天气预报系统应用实现的重要手段和基础。对于全球业务谱模式及其切线性模式和伴随模式的并行算法研究是四维变分资料同化中的关键并行计算问题。本文对数值天气预报资料同化中的关键技术和并行算法进行研究,设计并实现了基于最优统计插值方法的资料同化系统可扩展并行算法;提出了一种“自动微分+算子特性分析”的切线性模式和伴随模式实现方法;对数值天气预报业务全球谱模式、切线性模式和伴随模式的并行算法进行了研究。本文的主要研究成果概括如下:(1)对基于最优统计插值方法的资料同化系统串行算法进行深入分析,设计了基于跳跃选取策略的分布式可扩展并行算法,实现了基于最优统计插值方法的资料同化系统分布式并行算法;该并行算法具有较好的机器规模可扩展性和问题规模可扩展性;(2)通过对全球谱模式计算过程和数据相关性的深入分析,提出了基于二维数据转置的分布式并行算法;该并行算法在对于高分辨率谱模式使用精简高斯网格时能达到较好的负载平衡,并且具有高效并行可扩展性;实现了业务全球谱模式TL399L31的高效可扩展并行计算;(3)通过深入分析和比较,对于全球谱模式这样复杂的非线性模式提出“自动微分+算子特性分析”的方法,构造业务谱模式TL399L31的切线性模式和伴随模式代码,并对其进行了切线性和伴随检验。结果显示,得到的切线性和伴随模式正确;(4)将“多维球体的等区域划分算法”的特例——叁维球体“等面积区域划分算法”引入到格点空间的区域划分中,提出了谱正模式和切线性模式的“类二维数据转置”并行算法,解决了原有二维划分要求处理机数为所谓“好数”的问题,该算法在任意处理机数目情况下,仍能实现负载平衡,取得较高的并行计算效率;实现了业务谱模式TL399L31的切线性模式分布式并行计算;(5)对伴随模式的并行计算进行了研究实现。由于正模式中使用的计算与通信分离技术,以及伴随模式、切线性模式与正模式使用相同的数据剖分、区域分解,伴随实现主要着重于对模式通信层的性能关键程序及其对数据分布的映射程序进行伴随处理,实现TL399L31伴随模式的并行计算;数值测试表明伴随模式的并行实现是成功的,取得较高的相对并行计算效率;(6)对于不可微函数的切线性计算中自动微分无法处理而出现的一类临界点问题创新性地提出了解决方法,该方法能保证临界点问题的整体计算精度。
蒋沁谷[4]2014年在《GRAPES全球模式MPI+OpenMP混合并行方法》文中提出近几年来随着多核计算技术的发展，基于多核处理器的集群系统逐渐成为高性能计算机市场主流架构。高性能计算机的计算核数不断增加，同时计算性能保持一定的年增长速度增长。作为高性能计算的重要应用，气象数值模式预报准确率的提高很大程度上得益于分辨率的提高，使得模式能够模拟更加真实的物理动力过程。但模式分辨率的提高意味着计算量的成倍增长。为适应目前既有分布又有共享内存的硬件体系架构以及解决分辨率提高带来的计算量增长问题，可以使用MPI+OpenMP混合编程模型，实现集群节点间和节点内两级并行，利用消息传递与共享并行处理两种编程方式优点，MPI用于结点间通信，OpenMP用于结点内并行计算，提高模式的并行度。本文采用MPI+OpenMP混合并行模型，使用区域分解并行和循环并行两种方法，对GRAPES全球模式进行混合并行方案设计和优化。具体混合并行原则是对于计算量均匀分布，同时线程安全的格点计算使用tile并行，tile并行使用一维纬向tile划分。对于计算量不均匀的格点计算、程序内部线程不安全或存在MPI通信以及有负载平衡问题的物理过程，则选择循环并行方法。本文分别使用分辨率为1°和0.25°的数据对GRAPES混合并行方法试验。实验结果表明，混合并行方法可以在MPI并行的基础上提高模式的并行度，在计算核数相同的情况下，4个线程内的MPI+OpenMP混合并行方法比纯MPI方法效果好，但在线程数量大于4时，并行效果显着下降。当纯MPI方法因扩展性限制不能运行时，MPI+OpenMP混合并行方法可以替代它，获得比纯MPI方法更好的扩展性。GRAPES全球模式混合并行方法在大规模并行情况仍能保持较高的并行效率。研究表明，MPI+OpenMP混合并行方法适合GRAPES全球模式。
田华, 卞建春, 颜宏[5]2004年在《浅水波模式半拉格朗日方法的并行研究》文中研究指明该文研究的问题是分布式并行计算机消息传递方式下半拉格朗日并行算法 ,重点研究二维浅水波并行模式中有关子区域过渡带 (HALO)的问题和有关求解赫姆霍兹方程的并行算法。进行了一系列的对比试验 ,研究在不同分辨率下模式的并行效率的问题。结果表明 :采用分区域并行计算的方法 ,可得到较好的并行效率。模式中使用半拉格朗日方法处理平流项是有利的 ,在分辨率高时 ,可有效地提高计算速度
伍湘君[6]2011年在《GRAPES高分辨率气象数值预报模式并行计算关键技术研究》文中研究表明建立高分辨率精细数值天气预报模式是大气科学研究和数值天气预报模式业务发展的主流方向。随着高性能计算机计算能力的提高,高性能计算机规模不断扩大。面对峰值性能达到每秒千万亿次的高性能计算机系统,数值天气预报模式能否充分利用计算平台所提供的计算能力,解决其庞杂的科学计算问题和海量数据处理问题,取决于数值模式的并行计算方案和并行实现方法,特别是其核心算法的计算效率。以我国自主研发的新一代研究/业务数值天气预报系统GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)的模式系统为基础,本文深入分析了GRAPES模式的科学计算原理,探讨了影响GRAPES模式并行计算效率的主要因素,设计了GRAPES分层软件框架结构和并行计算方案,建立了GRAPES模式的并行计算系统,并针对其中影响并行计算效率的关键问题提出了优化方案,重点研究了针对拉格朗日插值计算的并行实现方法,研究了GRAPES模式关键计算Helmholtz方程的高效求解算法,最后在天河-1A超级计算机上对GRAPES模式并行计算系统进行了一系列的测试分析。本文主要研究成果包括:1、深入分析数值天气预报模式科学计算原理,揭示数据并行是数值天气预报模式并行计算的基本策略。由于模式数据流计算是随时间依次完成的,不同时间积分步之间数据流前后依赖,数值模式并行计算只能在一个积分步内进行。而同样由于数据相关性,数值模式并行计算通常采用数据并行方式,即采用将预报区域按照计算核数划分成块进行计算。2、针对日益复杂的数值模式系统,分析指出数值天气预报软件系统必须采用软件工程方法进行组织、管理,软件开发必须遵循软件规范要求,并结合高性能计算机体系结构特点,设计了GRAPES分层软件框架结构,建立了符合软件工程规范的并行编程接口函数库PPI,实现了GRAPES模式并行版本基本软件架构。3、针对拉格朗日插值计算,分析了影响GRAPES全球模式并行计算实现的极地区域网格变量聚集问题,提出了以―供方‖为中心的并行计算方案(put-scheme),实现了以―需方‖为中心的并行计算方案(get-scheme),改进了任务分配算法。测试结果表明,两种方案均有效解决了极地网格聚集对拉格朗日上游点插值并行计算的影响。但从计算效率而言,―get-scheme‖方案更具优势:1)减少了极地区域的大内存需求;2)减少了极地区域数据通讯的盲目性;3)增加了低纬度地区上游点位移量的允许范围。因此,―get-scheme‖方案具有更好负载平衡性和并行可扩展性能。4、针对GRAPES模式中占主要计算开销的Helmholtz方程的求解,实现了基于科学计算可移植扩展工具包(Portable Extensible Toolkit for Scientific Computation,即PETSc)和高层并行预条件函数库(high performance preconditions,即Hypre)的广义极小残量法(GMRES)求解算法。与目前GRAPES模式版本中使用的广义共轭余差法(GCR)方法相比,GMRES方法具有收敛速度快、迭代次数少、求解精度高、并行可扩展性能好等特点。对于高分辨率精细模式,采用GRMES方法求解Helmholtz方程大大减少了GRAPES模式的计算开销,显着提高了GRAPES模式在大规模并行计算机上的运行效率。5、通过对不同收敛精度Helmholtz方程求解的理想试验、实际资料绝热模式以及全物理过程多方面测试,揭示了GRAPES模式动力框架计算精度被物理过程计算精度所掩盖的问题。模式计算精度是整个动力框架计算和物理过程计算的综合结果,积分计算中每个过程的计算偏差都会在一定程度上反映到预报结果的偏差上,因此提高模式计算精度必须从模式计算的多个方面入手。6、针对GRAPES核心算法,建立了IBM-cluster1600计算机上拉格朗日插值并行计算两种方法的并行通讯分析模型,以及Helmholtz方程两种求解方法的并行计算时间模型;通过IBM-cluster1600计算机上固定规模GRAPES模式可扩展性能测试,验证了GRAPES模式并行计算系统具有良好的并行可扩展性能。GRAPES模式在天河-1A超级计算机上的测试分析表明:1)GRAPES模式积分计算部分并行效率较高,并行计算保持了高可扩展性能,10天预报在2048个计算核上的计算效率接近90%;2)目前影响GRAPES模式并行可扩展性能的瓶颈一个是I/O操作,另一个就是如何将GRAPES模式更好应用于分层设计的计算机体系结构。通过本文的研究,实现了具有良好可扩展性能的GRAPES模式并行计算系统。目前GRAPES并行模式系统已在国家气象中心业务运行(GRAPES区域模式业务运行,全球模式准业务运行),计算正确稳定,满足实时性业务要求。GRAPES模式并行计算系统的建立为GRAPES资料同化系统并行积累了经验,为GRAPES数值预报系统发展奠定了基础。
常燕[7]2011年在《高精度紧致平流算法的应用和区域天气精细化数值预报试验》文中研究说明平流是大气运动中最基本的动力过程,其数值计算对大气数值模式和数值天气预报起着至关重要的作用。平流计算方案的好坏不仅决定了模式大气运动计算的精度,还决定了数值模式积分的时间步长和计算效率。平流方案的特性对于天气系统的预报和模拟效果有显着的影响,特别对于一些强天气过程(如锋面、台风和强烈发展的温带气旋或冷涡等),物理量的不连续变化对数值模式的高精度平流计算和数值预报提出了挑战,因为通常高阶多项式构建的平流方案由于构建插值函数的模板较宽,往往对不连续物理量的平流计算缺乏正确的描述能力。另一方面,当采用低阶计算方案时会产生数值耗散、产生计算频散误差；二阶或更高阶的平流计算方案不可避免地产生数值振荡,对于模式中比湿等浓度计算出现负值振荡是致命的。随着数值预报模式分辨率的日益精细,模式变量不连续分布问题会因分辨率提高而更加突出,提高对锋面等不连续界面的计算和描述能力变得愈加重要。除大气数值模式中常用的有限差分平流计算方法外,还有许多高性能计算方法可以供气象模式使用,其中CIP(Constrained Interpolation Profiles)类的平流计算方法就是一个选择。这种方案采用同一网格点上配置多变量矩的Hermit类型插值方案构造半拉格朗日平流算法,所以可以在缩短插值函数模板的情况下构造高阶插值函数,从而在一个网格距内构建高阶连续函数,提高计算精度。本论文主要围绕CIP方案开展研究,包括一维和二维理想平流试验、调整植入MM5模式的CIP计算方案,并在我国一个暴雨过程个例数值模拟中对其影响进行分析。另外,结合模式计算需要,应用CIP方案开发了新型重力快波显式快速计算方法；论文的另一个主要工作就是结合实际数值预报的需求,利用中尺度非静力模式WRF探讨高分辨率精细化数值预报的初、边值应用方法。利用一维和二维简单理想流体的平流问题,对CIP法进行了计算和检验,在确信方法和计算精度要求的基础上,对Peng等(2003)引入MM5中的新型紧致CIP平流方案进行了适当的调整,并应用于我国南方2006年的一次梅雨暴雨过程的模拟研究。在对个例的模拟中,对比分析了CIP半拉格朗日方法与原有中央差欧拉平流方案的表现,证实CIP方案对这次暴雨过程具有较好的计算效果,更加真实地再现了梅雨锋降水的中尺度结构,改进了模式降水和锋面系统的模拟效果。对梅雨锋内对流运动和热力结构的模拟,显示了CIP对刻画大梯度分布和强对流运动计算的良好性能,平流的高精度计算对提高这类系统的模拟精度有明显效果。重力波是天气变化过程中有意义的动力过程,由于重力波激发一些重要天气过程,与地形性降水和对流天气过程中的能量传播有关,在数值模式中不可将这类快波滤掉,但由于重力波的传播速度较快,在数值模式积分过程中限制了模式积分时间步长。在大气数值模式中通常采用半隐式的算法处理重力波项,以扩展积分时间步长,但必须面对矩阵运算和变换,这对于高分辨模式而言是一个沉重的负担。由于CIP紧致平流方案属半拉格朗日型算法,不受积分线性稳定性条件限制,因此在提高计算精度的同时,还可以提高模式的计算效率。本研究在CIP法基础上开发的球面CIP特征线法计算重力波传播,以半拉格朗日算法代替半隐式算法,避免了矩阵运算,同时有效地克服了重力波对模式积分的线性稳定性限制,扩大时间步长。文中以球面浅水模式为例,直接使用半拉格朗日平流方案代替半隐式方案求解,并借助球面浅水模式的理想问题,给出了球面特征线法求解重力波的数值结果。采用CIP半拉格朗日方案,保证了模式数值积分对任意柯朗数的稳定性,节省大量CPU时间,运算在保证所需计算精度的同时,获得了极高的计算效率。作为示例,这里给出了在球面阴阳网格系统中理想化试验的数值解,以便评估。数值试验结果显示了CIP特征线方法在高分辨率模式中处理快重力波精确、经济和方便的特点,并且在理想试验中都获得了高分辨率大柯朗数(CFL>1.0)时稳定而精确的计算,这对开发和应用高分辨数值模式有重要价值。高分辨率、高精度中尺度数值预报和模拟是数值模式应用的目的。在目前计算能力不断提高和观测、分析资料不断丰富的条件下如何进行精细化的数值预报和数值模拟是我们面临的一个难题。中尺度数值预报受到初值、边值、模式动力和物理过程诸方面的影响,本研究的另一部分工作就是针对模式初、边值的影响来研究精细化中尺度数值预报的一个方面。运用WRF中尺度模式和高分辨率的T639全球预报结果,通过不同的初、边值形成方法来研究和寻找较好的预报结果。选择黄河下游的一次暴雨过程,对T639预报结果插值得到WRF初边值,分别采用连续积分和分段T639结果插值冷启动的方法进行降尺度处理,结果显示WRF模式连续积分的高分辨率嵌套数值预报结果较好,而T639预报结果分段插值冷启动预报较差。反映了具有丰富物理过程和动力过程的高分辨率WRF模式可以更好的获得天气过程发展的主要信息,尽管其边界仍然受到全球模式的影响,也说明T639静力模式对中尺度天气系统的描述较WRF中尺度模式粗糙,从而造成分段冷启动结果降水不足和偏离。这里呈现的仅为一个个例研究的结果,不具普遍性,有待更多实例模拟验证。
刘国平[8]2008年在《中国新一代全球数值天气预报模式切线性伴随模式技术》文中研究说明四维变分同化技术是提高数值天气预报时效的重要方法,切线性模式和伴随模式是同化系统的关键技术。本文针对我国自主研发的多尺度通用数值预报模式系统GRAPES,为建立GRAPES全球四维变分同化系统的切线和伴随模式,开展了以下工作:基于GRAPES全球模式绝热动力学框架和四维伴随变分资料同化理论,建立了GRAPES全球模式的切线性模式(GRAPES TL)和伴随模式(GRAPES AD),切线性模式精度高,伴随模式正确,满足业务要求。设计了全球伴随模式动态数据存储库,采用断点存储技术,解决了GRAPES全球伴随模式存储和恢复基态值的难点问题。设计了全球半隐式—半拉格朗日中Ritche算法在物理空间中连续的切线性伴随模式,解决了Ritche算法中切线性模式出现分母为零的问题;基于GCR算法建立了Helmholtz方程的高精度切线性和伴随模式。基于PETSc库建立了GRAPES模式中求解Helmholtz方程的Krylov子空间方法和预条件子算法库,设计了Helmholtz方程的切线性和伴随的PESTc框架。
任迪生[9]2010年在《GRAPES有限区域切线/伴随模式高效并行算法研究》文中研究表明四维变分同化技术作为数值天气预报的关键技术之一,可将不同地区、不同性质的观测资料随时间的变化信息融入到初始场,从而提高系统的预报质量,因而当前在国际上被认为是最有效的资料同化方案。但其计算过程非常复杂,程序占用内存量巨大,系统的运行时间较长。我国自主研发的新一代数值天气预报系统GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)的四维变分同化系统(GRAPES-4DVAR)也有计算量大,占用内存多,运行时间长的特征。如何针对GRAPES有限区域模式在算法或代码上进行改进,提高其运行效率和并行可扩展性,是本文研究的关键与重点。文章主要从优化程序代码、改进伴随算法、开展混合并行等方面来提高程序的运行效率和可扩展性,研究并实现减少程序运行时间的有效方法。主要内容概述如下:(1)对GRAPES有限区域模式的代码进行调整优化。研究提高内存系统资源利用率和处理器运算部件运行效率的方法,消除代码中对性能有着显着影响的瓶颈因素。通过有效的代码实现,非线性模式的运行效率提高约25%。(2)提出了一种新的伴随模式计算方法—极限断点存储技术。用增加约30%的内存代价换取了程序运行性能100%的提升。(3)提出了一种可实现数据块先进先出与先进后出关系的内存数据管理技术,并实现了该结构-嵌套多链栈。(4)针对GRAPES伴随模式并行读写外部存储器可扩展性受限的问题,提出一种增强性能的改进方案。用有限的内存空间来实现大量中间数据的管理方法,替换了影响性能的外部存储器读写过程,实现了当扩展处理器规模超过128时,可减少70%程序墙钟时间。(5)实现GRAPES的混合并行计算。立足当前流行的集群系统结构,实现了在节点内使用OPENMP线程级并行,节点间使用MPI进程级并行的混合并行来替代纯MPI并行的GRAPES计算方法。得出了当纯MPI并行效率下降到90%以下时,使用混合并行方式,可提高5%到10%左右的结论。
张理论[10]2002年在《面向气象预报数值模式的高效并行计算研究》文中研究说明大气科学尤其数值模式的发展进步与并行计算息息相关，这一点已经成为气象预报和并行计算两个领域的共识。随着并行计算技术的不断发展进步，并行计算机的规模愈来愈大，计算能力愈来愈强，这使得更为快捷、准确地进行数值预报成为可能。而预报模式能否高效地应用于高性能计算机，主要取决于模式所采用的数值方法是否可以实现有效的并行计算。 本文从气象预报数值模式分布式存储并行计算的实际需要出发，着眼于谱元素方法和有限差分的并行计算性能，研究了二维半隐谱元素浅水波模式、中国科学院大气物理研究所第叁代海洋环流模式和中国新一代多尺度预报模式等叁个气象预报模式的高效并行计算，设计实现了相应的应用软件。本文的主要研究成果概括如下： (1) 讨论了数值并行计算技术的发展现状及其对数值预报模式的影响，深入研究了并行计算模型、并行编程模型和数值并行软件的软件工程等问题。 (2) 关于谱元素方法及两维半隐谱元素浅水波模式的并行计算 ⅰ) 依据切比契夫多项式和勒让德多项式的计算特点，提出了一个混合局部基函数预备定理，给出了两类混合局部基谱元素格式。采用混合局部基函数可以在不降低计算精度的情况下使元素矩阵具有特定的稀疏特征，且能保持谱元素方法在元素界面上的C~0连续性。 ⅱ) 将有限元方法中的逐元素(EBE)策略应用于谱元素方法的并行计算，在PC机群上设计实现了并行应用软件PSES。研究表明：即使在网络性能瓶颈非常突出的以太网PC机群上，采用高阶谱元素方法(高于7阶)和通常的空间离散规模(32×32个元素以上)求解两维椭圆问题，可实现60％以上的8机并行效率。 ⅲ) 研究了两维半隐谱元素浅水波模式的高效并行计算，给出了离散方程的逐元素(EBE)并行求解技巧，设计了相应的并行应用软件，并在PC机群上获得高效实现。 (3) 关于中科院大气物理研究所第叁代海洋环流模式的高效并行计算 ⅰ) 基于对有限差分离散的分析，提出了一个面向显式时间积分并行计算的多重迭国防科学技术大学研究生院学位论文 边界优化模型，指出了网络速度与处理器速度间的落差使得采用冗余计算取代 部分通信成为一种具有相对优势的实用技术。结合以矩阵矢量乘积为主的迭代 计算特点，从通信量、通信计算比和并行可扩展性等方面比较分析了离散格式 对于并行计算的影响。 11)发展了国内第一个高效并行海洋环流模式:深入研究了中国科学院大气物理所 第叁代海洋环流模式，分析了其串行计算特点和并行可扩展性，指出了其计算 方法上存在的对并行计算的某些限制，对该模式组织了有效并行计算，并成功 应用了包括多重迭边界在内的若干并行优化方法，在国产小型MPP系统和SGI originZoo。上都获得了较高的性能。(4)关于中国新一代多尺度预报模式动力内核的高效计算问题 i)叁维复杂核姆霍兹方程的离散求解是中国新一代多尺度预报模式动力内核中 的一个瓶颈问题，该问题的计算性能决定了整个数值模式的效率。对此，本文 提出了一种基于逐层门限技术的近似逆矩阵稀疏模式预选方法，并构造了相应 的稀疏近似逆预条件子，结合GCR算法和G州[R卫S算法，首次将逐层门限稀 疏近似逆预条件子应用于新一代多尺度预报模式动力内核的实际计算，数值实 验表明这里给出的方法可以大大提高数值模式的计算效率。
参考文献：
[1]. 数值天气预报半拉格朗日时间积分算法及其并行实现[D]. 徐冰. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2002
[2]. 半隐式半拉格朗日非静力数值天气预报谱模式动力框架若干关键技术研究[D]. 杨锦辉. 国防科学技术大学. 2015
[3]. 数值天气预报资料同化关键技术及并行计算研究[D]. 赵军. 国防科学技术大学. 2007
[4]. GRAPES全球模式MPI+OpenMP混合并行方法[D]. 蒋沁谷. 中国气象科学研究院. 2014
[5]. 浅水波模式半拉格朗日方法的并行研究[J]. 田华, 卞建春, 颜宏. 应用气象学报. 2004
[6]. GRAPES高分辨率气象数值预报模式并行计算关键技术研究[D]. 伍湘君. 国防科学技术大学. 2011
[7]. 高精度紧致平流算法的应用和区域天气精细化数值预报试验[D]. 常燕. 兰州大学. 2011
[8]. 中国新一代全球数值天气预报模式切线性伴随模式技术[D]. 刘国平. 国防科学技术大学. 2008
[9]. GRAPES有限区域切线/伴随模式高效并行算法研究[D]. 任迪生. 国防科学技术大学. 2010
[10]. 面向气象预报数值模式的高效并行计算研究[D]. 张理论. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2002
标签：气象学论文; 并行计算论文; 并行处理论文; 数值积分论文; 时间计算论文; 测试过程论文; 算法论文; mpi论文; cip论文; cip系统论文;