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1、第2卷第2期气候与环境研究Vol.2,No.21997年6月ClimaticandEnvironmentalResearchJune1997*气候模式并行计算毕训强曾庆存(中国科学院大气物理研究所,北京100080)摘要气候模式并行计算是国内外最近重视开展的在大规模并行计算机上应用的并行软件的开发工作。“气候动力学和气候预测理论的研究”国家攀登项目近年来先后在国产曙光1000和曙光1000A并行计算机上开展了气候模式并行计算工作。所用的气候模式是气候动力学项目“八五”阶段设计发展的9层全球格点大气环流模式和从1997年起着手研制的18层全球格点大气环流模式
2、。这是我国首次进行的气候数值模式并行计算工作,阶段性工作取得了合理的并行效率。研究表明以大气环流模式为代表的气候模式是最适合并行计算机实际应用的科研任务之一,国产并行计算机有能力在该领域实际应用中发挥作用。关键词大气环流模式并行计算机气候模式并行计算1引言气候异常和气候变化是全球热点问题之一。对气候变化及其预测的气候模式设计和模拟研究一直是当代气候研究中的一个非常关键的环节,是研究复杂气候系统的最重要途径之一,也是衡量一个国家气候研究水平的重要标志。近年来,国内外气候研究都充分认识到高分辨率高精度的气候模式对改善气候预测水平的重要性,并着手建立或完善其高分
3、辨率、物理过程参数化方案更为完备细致的新一代气候模式。这些工作使得新一代气候模式的长时间气候模拟试验所需要的巨大量的计算速度和内存资源,超出了单个计算处理器(包括向量计算机)的承受能力。国际上一些大气科学研究机构,已开始(或刚刚实[1～3]现)把他们的气候模式移植到大规模并行计算机上。气候模式的发展很大程度上取决于电子计算机的发展水平。“八五”阶段我国开展的[4]“气候动力学及气候预测理论的研究”攀登计划项目,通过派出气候模式设计专家利用国外先进计算机资源以及使用从国外进口的中型计算机,已基本建立起我国自己设计的气候系统各分系统(大气环流、海洋环流、陆面和
4、地表过程)的动力学模式,完成了各分系统模式的耦合和组装,且都通过了大规模的模拟检验并已应用在夏季旱涝跨季度预测和二氧化碳倍增造成全球气候变化预测及气候数值模拟研究之中。这些模式的垂直分辨率和物理过程方案细致程度与国际同期气候模式相当,设计思想具有许多优点和特色,综合模拟能力赶上了国际同期先进气候模式的模拟水平。但因为国内计算机资源有限,我国气候模式应用强度远不如国外发达国家,这在一定程度上削弱了我国气候模式在国际气候研究中的影响。1997-05-29收到,1997-06-17收到修改稿3本工作得到国家基础性研究重大项目“气候动力学和气候预测理论研究”与国家
5、863项目863-306-ZD-01-9课题的资助100气候与环境研究2卷计划中的“气候动力学及气候预测理论的研究”攀登计划项目“九五”阶段研究的核心内容是建立和研制发展新一代高分辨率高精度大气、海洋、陆面、冰雪圈耦合的气候模式,模式复杂性程度和计算量都比现有模式大了很多。面临计算机资源严重不足的现状,开展气候模式并行计算尤为必要。本文第2部分将介绍并行计算概念与气候模式并行计算基本方法;第3、4部分则分别介绍“八五”阶段后期我们在国产曙光1000并行机上NX并行环境下实现的9层全球格点大气环流模式并行计算和最近在国产曙光1000A并行机上PVM并行环境下
6、实现的18层全球大气环流模式并行计算。2并行计算概念与气候模式并行计算基本方法并行计算是将单一计算任务分配到多个计算处理器去完成。衡量并行计算效率的并行加速比定义为tseqSp=,tp其中,tseq为用串行机完成该任务所需的时间,tp为用p个处理器并行完成该任务所需的时间。对于一个特定的计算任务,设该任务中不能并行只能串行执行的运算量占总运算量的百分比为s,可并行执行的运算量百分比为1-s,则(负载完全平衡且忽略并行系统额外开销时的)并行加速比满足Amdahl定律:1p1Sp==≤.(1-s)sp+1-sss+p就气候模式并行计算而言,只能串行运算量百分比
7、s随模式分辨率和模式物理过程细致程度的提高而减小,所以气候模式并行计算能取得的最大并行加速比也逐渐增大,而[2][3]且呈现出多处理器时并行加速比接近线性增长的结果。Hack等及Leslie等的工作都取得了16个处理器并行计算加速比13以上的结果。区域分解方法是进行气候模式并行编程常采用的基本方法。通过沿经向(或纬向)的带状(或块状)分割,整个大区域(或全球)模式计算量能很自然地分配到多个处理器上进行,每个处理器只计算各自带(或块)内部分,在需要时与其它处理器发生通讯。对以有限差分方法求解的格点模式,通讯主要发生在动力框架部分计算中需要相邻带数据时。谱模式
8、中的通讯主要发生在需要高斯求积和快速富里叶变换时。由于谱模式中谱空
