[发明专利]地球系统模式的通用模块化并行耦合系统

说明书

技术领域

本发明属于地球系统科学技术领域。特别涉及地球系统模式的耦合系统C-Coupler。

背景技术

地球系统属于复杂系统，是由大气圈、水圈、陆圈(岩石圈、地幔、地核)和生物圈(包括人类)组成的有机整体。地球系统模式是一种对地球系统复杂行为和过程模拟与预测的科学工具大型综合计算程序。它把地球系统的大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈作为一个相互作用的整体来考虑问题，基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组来确定其各部分的性状，由此构成地球系统的数学物理模型，然后用数值的方法进行求解，并通过高性能计算机付诸实现。地球系统模式由多个分量模式，其中每个分量模式是数值求解一种分量的子程序，例如大气模式是数值求解大气的程序。为实现分量模式间的相互作用，需要把分量模式通过联系起来。耦合的基本功能包括实现分量模式间的耦合连接、分量模式间公共界面上的通量计算、耦合过程中物理量的诊断、耦合过程的重启动支持、以及地球系统模式的编译环境和运行环境等。随着地球系统模式的发展，耦合还面临着诸多未来需求，例如分量模式间耦合物理量不断增加、分量模式的数量和种类不断增加、分量模式间的交互式集合、双向区域嵌套耦合、3D物理量耦合等。目前，最常用的耦合软件包括美国国家大气研究中心NCAR研制的耦合器和欧洲委员会资助项目PRISM研制的耦合工具库OASIS。

NCAR耦合器是基于耦合工具库MCT(Model coupling toolkit模式耦合工具集)实现多分量模式耦合的独立软件。其针对全球模式耦合，实现了多个分量模式间的耦合连接，具备通量计算、诊断分析和重启动功能，提供了编译环境和运行环境。从20世纪90年代开始，NCAR耦合器已经发展了多个版本：cpl1～cpl7。图1是基于NCAR耦合器的地球系统模式结构，其中耦合器是一个独立子程序，其作用相当于一个网络集线器，大气、陆面、海洋和海冰等分量模式都与耦合器连接，且只能通过耦合器进行数据交换。除了完成分量模式之间的数据交换外，耦合器还进行分量之间公共界面上的通量计算，例如计算大气和海洋公共界面(即海平面)上的降水、蒸发和辐射等，而当分量模式之间计算网格(计算网格是分量模式针对地球系统圈层在空间尺度上的一种分割)不相同时，耦合器还完成必要的数据插值过程。例如对于图1，设海洋模式和大气模式的网格不同，当海洋模式需要获得来自于大气模式的降水时，大气模式首先把降水数据发给耦合器，耦合器收到大气模式的数据后将其插值到海洋模式的网格上，然后进行通量计算，最后把计算所得的降水数据发给海洋模式。海洋模式也可以把自己的数据传给大气模式，例如把海水蒸发的数据通过耦合器给大气模式。NCAR耦合器的主要优点是实现分量模式连接时的工作量小，不同的地球系统模式可以共享耦合器提供的耦合流程，而分量模式只需提供数据和获取数据，无需关心数据来源和其他分量模式的细节信息。尽管如此，NCAR耦合器存在以下不足，：

1、需要满足耦合器的限制：耦合器连接的分量模式数量和分量模式类型是特定的，不能改变。例如耦合器版本cpl6只能连接四个分量模式：大气模式、海洋模式、陆地模式和海冰模式。

2、在通用性方面：不支持双向区域嵌套耦合，不支持分量模式在线集合(例如多个大气模式数据的平均)。

3、在灵活性方面：耦合频率以分量模式为单位；输出频率以耦合器为单位；插值算法的选择以通量组和状态量组为单位。

4、在可维护性方面：分量模式及耦合物理量的增减、耦合数值功能的扩展与耦合计算性能的优化都需要修改耦合器代码。

5、在数值耦合功能方面：不支持三维数据的耦合，仅支持二维数据的耦合。

6、在计算性能方面：尽管实现了分量模式多个进程与耦合器多个进程之间的并行通信，但没实现异步通信，此外耦合器集中控制分量模式耦合的方式会导致冗余通信。