神威集合数值天气预报系统中的并行算法

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1、神威集合数值天气预报系统中的并行算法张胎冷辛波Ot京4t方计算中心)一、系统简介神威集合数值天气预报系统以神威巨型计算机为开发平台，采用奇异向量法产生初始扰动，产生奇异向量的模式为'1211,19,预报模式为'11061,19,集合预报成员为32个。系统的主体部分由前处理、资料同化、集合预报初始场生成、模式预报、模式后处理、产品生成、可视化运行监控等七个子系统组成。每个样本做10天模式预报且按每天间隔12小时输出一次结果。生成包括:十天的中国范围的降水概率预报，十天日降水预报>850hpa逐日温度距平的概率预报、SOOhPa高度场逐日集合平

2、均以及500hpa高度场十天平均等等在内的百余种预报产品。二、系统的并行结构与主要并行算法1.系统并行结构神威巨型机属可伸缩的大规模并行处理系统。通常称之为MPP机(MassivelyParalelProcessor)，它采用的是同构、分布共享主存储器、平面格栅网体系结构，共有392个单元处理器，每个处理器(PE)有自己的内存128MB，处理器间以内部互连网络的方式连接传递信息，各处理器既可独立运行也可通过相互间的网络实现并行。每个处理器还可通过平面格栅网由1/0节点来处理16个存储量分别为80GB的外存储器系统(磁盘阵列，简称lop),在

3、神威机上，解决科学计算和工程应用课题时，采用的并行方式通常有两类:一是功能并行，也可称为任务并行或、IPMD(MultiplePngnMulti讨edata)，即多个处理器在同一时间内执行不同的运算;二是数据并行，也可称为SPb1D(Sin少ProgramMultipleData)，即多个处理器在同一时间内执行同一指令。在神威集合数值天气预报系统的研制中，结合集合数值天气预报业务需求中大规模、高分辨率的特点，充分发挥神威并行机制的众多优势，采用上述两种并行方式，设计了如下系统总体并行方案:①按样本、时次或产品种类划分任务，实现各样本数值预报

4、或各时次模式后处理或产品种类间的并行;②对于集合预报中运行量大、运行时间长的部分，根据各部分的特点.在内部再分别采用不同的并行算法，提高并行解算效率，进一步缩短运行时间.满足实际预报的时效要求。图1给出了神威集合数值天气预报系统的总体并行结构框图。其中用二标注出的子系统或部分需要在内部做进一步并行，括号内是并行时所需的PE数。1721。....报文侣式转换.….石一..1解码..工-一.….数据生成..14一—.。….探空报合并…1…。报文且排序﹄二二二二二二:习二:::::二二_________________资料同化客观分析官1416小

5、时预报1161L.‘...……集合预报初始场生成目dd.…11从孺PE数92:8=256个1模式预报喻18132模式预报`1811从姗PE数256+256.128=640个.分三批I模式后处理模式后处理____________自J玫_______________产品生成}降水产品生成MRrimgt}}Hijrv1101一图1神戚集合数值天气预报系统的总体并行结构框图2.集合预报各子系统的并行算法(1)资料同化子系统的并行算法通过对资料同化串行程序运行性能分析发现，质量场和风场分析部分占总运行时间的90%左右，而其中资料检查、枯算分析系数、估

6、算格点分析值部分则几乎占尽所有时间，特别是格点分析值的计算。因此，并行应主要针对这三大部分进行。在并行化过程中发现，每个PE局存的大小是制约并行效果的一个主要因素，如果一些工作文件无法转换为数组形式.并行化效果将大打折扣，而神威机的局存只有128MB，因此，神威集合预报系统的资料同化子系统中.依据并行效果，在内存允许的范围内只对资料检查和估算格点分析值部分进行了并行。子系统中采用主从(masts，一slave)并行方式，它属MPMD并行方式的一种，由一个主进程和若干子进程共同完成任务。系统运行时先创建所有的进程，然后主进程运行单任务段，子进

7、程处于等待状态。当主进程到达资料检查的并行起点时，唤醒子进程.并向子进程分配资料盒子序号，所有子进程并行处理。并行点结束后，主进程归约收集各子进程的运算结果，继续执行后面的单任务段，子进程回到等待状态.直到下一个估算格点分析并行点再次被唤醒，这时主进程向子进程分配的是由北至南的纬圈号。这一并行点结束后，主进程再次归约收集各子进程的运算结果，完成以后的申行计算。173。(2)模式预报子系统的并行算法在T1061,19谱模式中，物理过程的计算量最大，耗时最多，占总运行时间的95%左右.而物理过程的计算是从富氏空间~格点空间~富氏空间，在每个纬圈

8、上依次进行的，全球的富氏空间纬圈数为80个，每个富氏纬圈的结构完全相同，相互之间没有顺序关系，非常便于实现并行处理。因此，在模式预报子系统中采用SPMD的并行化模式，将并行计算的