并行优化算法技术研究

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1、公益性行业（气象）科研专项项目成果信息快递全球高分辨率大气环流模式的研发及并行优化算法技术研究【项目编号】GYHY201106022【研究周期】2011年1月—2013年12月【项目负责人】王在志【项目骨干成员】魏敏、张华、李清泉、刘一鸣、张宇、曾祥华【项目承担单位】国家气候中心【项目协作单位】国家气象信息中心、中科院寒区旱区环境与工程研究所、扬州大学【主要研究成果】本项目基于国家气候中心发展的全球大气环流谱模式，建立高分辨率大气环流模式T266L26动力框架，实现了模式的稳定运行；引入通量形式的半拉格朗日平流算法（FFSL），该方案从理论上可以保证物质在传输过程整的守恒

2、性和正定性，同时解决了该平流方案在精简网格中的实现；完成了高分辨率谱模式并行计算的可扩展性工作，突破了谱模式在并行进程上的限制，实现计算规模达到千核以上；开展并行读写（PIO）算法研究，对模式数据重新进行模块化剖分，实现多个进程并行读写，提高了模式数据访问效率；将云产生器及McICA辐射计算方案和相关K-分布辐射传输模型（BCC-RAD）结合形成的云-辐射方案应用于模式中，同时改进了云的垂直重叠参数化方案，改善了模式云量、辐射通量及降水等的模拟；引入双参数中大尺度降水湿过程的云微物理参数化方案，对降水过程相关参数及大尺度云水方案开展敏感性试验，以提高模式的降水模拟能力；对

3、模式季节振荡模拟能力和日变化模拟能力进行了评估。1.建立了高分辨率模式全球大气环流谱模式动力框架基于国家气候中心原有的中等分辨率大气环流模式BCC_AGCM2.0（T42，约280公里），本项目将水平分辨率提高到T266（约45公里），形成了新版本的高分辨率全球大气环流谱模式BCC_AGCM3.0。模式的地形分布表明，模式分辨率提高后模式对东亚地区复杂地形的分辨能力有明显的提高。大气模式中的平流算法是模式动力框架的核心。基于上述建立的高分辨率大气环流谱模式BCC_AGCM3.0，引入新的通量形式的半拉格朗日平流算法1公益性行业（气象）科研专项项目成果信息快递（FFSL），

4、该方案从理论上可以保证物质在传输过程整的守恒性和正定性；对该平流方案在极区的计算进行了改进，并实现了其在模式精简网格中的应用。与模式原来的半拉格朗日平流算法（SLT）相比，平流输送前后FFSL的全球水汽变化幅度要比SLT的变化幅度小一个量级，也表明模式在输送过程中的守恒性得到明显提高。2.研发谱大气模式的可扩展并行算法提高了模式并行规模目前大气谱模式并行运算瓶颈在于动力框架中谱空间计算的并行技术，由于需要进行纬圈的快速傅里叶变换（FFT），因此模式动力过程计算的并行进程数受纬圈数限制，这就限制了模式的并行规模。而大气模式的计算量主要集中在辐射、降水等物理过程的计算，计算量

5、可占整个模式计算量的70%以上，且计算是在气柱点上进行。基于此，本项目中通过将动力过程和物理过程计算分别采用不同的并行处理，实现模式的可扩展并行计算，突破了原来在并行进程上的限制，从而提升了模式的并行规模，提高模式的并行效率。3.实现了模式并行数据读写，提高了模式数据访问效率现阶段，气候模式的计算部分基本已经实现多处理器、多核并行运算，在高分辨率大气模式T266中，并行规模可以达到1000核以上。但是模式数据输出部分仍采用单进程串行执行，成为模式运行效率的另一个瓶颈；特别是随着模式分辨率的提高，访问的数据量明显增加，因此，多进程并行I/O技术的应用成为解决这一问题的主要途

6、径。本项工作在Parallel-NetCDF、MPI-IO等已有成熟的开源函数库和软件基础上进行开发，研究针对NetCDF数据格式分块存储方式，采用包括经度、纬度、时间、层次和要素等多维数据结构，对模式数据重新进行模块化剖分，实现多个进程并行I/O，提高数据访问的实时性。基于不同计算机处理核，对开展的工作做了初步测试。测试结果表明采用并行输出后数据输出时间不到串行输出时间的一半，输出效率有明显提高。另外当计算节点上采用的核不同时对输出效率也有较大影响。4.发展适应高分辨率大气环流模式的物理过程（1）引入了双参数的大尺度降水湿过程的云微物理参数化方案（MG），增加了对云水、

7、云冰数浓度的预报，使模式具备开展气溶胶间接效应的能力。基于BCC_AGCM不同分辨率（T42、T106和T266）对该参数化方案的重点参数进行调试检验。从目前的结果来看，次网格垂直速度和云冰有效半径基本合理，云水有效半径、云水数浓度和云冰数浓度明显偏小；对全球平均的云量、云水路径、降水量和辐射特征的比较，发现MG方案能够较好地再现这些物理量特征。2公益性行业（气象）科研专项项目成果信息快递（2）云的辐射传输方案（BCC_RAD）改进及在模式中的应用。分析了2007-2010年可以获得的CloudSat和CALIPSO卫星观测资