[发明专利]一种大气环流模式动力框架的三维剖分方法和系统

说明书

本发明公开了一种大气环流模式动力框架的三维剖分方法和系统包括：建立具有直角坐标结构的三维模拟空间作为大气环流模式动力框架，且三维模拟空间的x轴对应地球的纬度，y轴对应地球的经度，z轴对应地球的大气高度；将三维模拟空间剖分为多个格点，每个格点具有其纬度、经度、大气高度下的环境信息；将格点划分到多个进程中，每个进程根据预设的时间步完成时间步分析，时间步分析包括，每个进程根据其对应格点的环境信息，分析得到经过时间步之后格点的结果环境信息。由此本发明可释放纬向、经向、高度三个维度的并行度。本发明方法中高斯滤波权重系数、滤波次数、以及权重系数模板会随纬度不同而自适应变化，以保证高纬度地区计算的稳定性。

技术领域

本发明涉及气候模拟领域，特别涉及一种大气环流模式动力框架的三维剖分方法和系统。

背景技术

大气环流模式是研究地球气候变化及其成因的重要工具之一，是地球系统模式的重要组成部分，高性能可扩展大气环流模式的研制是当前高性能计算领域的研究热点。动力框架是大气环流模式的核心模块，主要是对不含源汇项的模式方程进行离散化，并采用数值方法进行并行求解。当前流行的大气环流模式动力框架的数值求解方法主要包含有限体积、有限差分、以及谱元方法等。其中，(1)基于有限体积开发的代表性软件为通用地球系统模式(The Community Earth System Model，CESM)中的CAM-FV大气分量模式，采用经纬网格对全球空间进行离散化，如图1所示。有限体积法从物理观点来构造离散方程，每一个离散方程都是有限大小体积上某种物理量守恒的表示式，其特点是数值计算较为简单。但由于经纬网格造成的南北极区域的奇异性问题，导致程序的并行可扩展性较差；(2)基于有限差分开发的代表性软件为中国科学院大气物理研究所开发的IAP AGCM 4.0大气环流模式。IAP AGCM与CAM-FV类似，同样采用经纬网格进行离散化，所不同的是采用有限差分的方法对各个物理参量进行求解，但也面临并行可扩展性较差的问题；(3)基于谱元方法开发的代表性软件为通用地球系统模式CESM中的CAM-SE大气分量模式，其特点是采用非结构化的四边形网格对空间进行离散化，从而避免了传统经纬网格带来的南北极区域的奇异性问题，具有很好的并行可扩展性，但在模拟的准确性上与前两种方法相比较差。

在上述三种流行的大气环流模式动力框架软件中，基于有限体积的CAM-FV以及基于有限差分的IAP AGCM是基于经纬网格进行空间离散化的。经纬网格在靠近南北极点的高纬度区域，纬向格距变得很小(如图1所示)，容易导致计算结果的不稳定。为了保证高纬度计算的稳定性，CAM-FV以及IAP AGCM均采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)对高纬度(如南北纬70度以上)格点进行纬向滤波，从而滤掉或削弱高纬的短波，使得经纬网格可以采用较长的时间步长。然而，高纬度格点进行纬向FFT滤波会严重影响程序的可扩展性，这是因为如果将纬向进行并行剖分会使FFT滤波并行化，从而引发全部纬向进程参与的全局通信操作，这严重降低了计算效率。为了避免FFT滤波的并行化，CAM-FV与IAPAGCM采用的方法是只对经向及高度进行并行剖分，而纬向不进行剖分，如图2所示。这种二维并行剖分方法大大限制了算法的并行度(即可并行执行的最高进程数)，因其并行度只能来自经向及高度两个维度。本发明针对经纬网格提出了一种可扩展三维并行剖分方法，对纬向、经向、以及高度三个维度进行并行剖分，相对于CAM-FV以及IAP AGCM，本发明大大提升了程序的整体并行度，并降低了通信开销。对于高纬度滤波，本发明提出一种新颖的自适应高斯滤波方法来替换FFT滤波，从而消除并行FFT带来的全局通信操作，提升程序的可扩展性。

基于谱元方法的CAM-SE采用非结构化网格，避免了高纬度地区格点的聚集及计算不稳定的问题，从而无需进行FFT滤波。因此，CAM-SE可以采用三维并行剖分方法，具有较好的并行可扩展性。然而，CAM-SE采用的非结构化网格破坏了地球大气作为旋转流体所具有的基本物理特性，在坐标转换和插值过程中不可避免的造成相应误差。基于经纬网格的CAM-FV以及IAP AGCM则很好地保持了旋转流体的物理特性。本发明针对基于经纬网格的大气环流模式动力框架提出一种三维并行剖分方法，在保持了旋转流体的物理特性的同时提升程序的并行可扩展性。