IAP9L AGCM并行计算研究及实现

发布时间：2020-08-17 07:55

【摘要】： 气候模式的研究和设计一直是当前气候研究中一个非常关键的环节,而大气环流模式是世界各国用来进行气候预测及研究的主要模式之一。由于大气环流模式的计算量和存储量非常大,所以大气模式的发展与高性能并行计算的发展是密切联系在一起的,对大气环流模式开展并行计算研究具有很重要的意义。 IAP9L AGCM包括动力框架和物理过程两部分,其数值计算方法采用有限差分方法。为满足其对并行计算的需求,在深入了解大气环流模式的基本原理后,本文从并行计算的一般原理出发,结合大气环流模式的具体特点,对IAP9L AGCM串行程序进行了数据相关性分析、耗时分析。接着,本文按照“划分、通信、组合、映射”这样一个并行算法设计过程,采用一维纬向区域分解的策略进行了IAP9L AGCM并行算法的设计。在进行区域分解时,分别采用了均匀划分策略以及基于反馈检验的负载平衡预处理方法。然后,采用MPI实现了该算法的并行计算,并最终在8个CPU组成的工作站机群上进行了IAP9L AGCM的并行数值试验。最后,通过对并行程序的数值结果进行分析和比较后总结出三个结论:(1)本文设计出的基于反馈检验的负载平衡预处理方法较之均匀数据划分方法能在一定程度上改善大气环流模式并行程序的性能;(2)对于有限差分IAP9L AGCM数据并行问题,一维纬向区域分解的并行策略不能扩展到处理器数目很多的情况。当问题规模一定时,在适当的通信管理情况下,必须选择合适的处理机数目,并行程序加速比才不至于下降;(3)实验结果表明,本文设计的IAP9L AGCM并行算法是可行、有效的。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP338.6
【图文】：

求解过程,问题,并行算法

首先要写出求解问题的并行算法。来的，并行计算模型是并行算法的实现基础一种简单、方便的框架，从而使得并行算法析和研究有助于设计高效的算法。一个并行此首先要把并行算法转化为并行程序，从而个过程中，良好的并行编程模型和语言为并。并行程序设计需要将问题的并行求解算法行程序，从而达到一个问题并行求解的最终具体过程如图 2.1 所示。是设计 IAP9L AGCM 并行算法并实现，针工作所涉及到的重要数值并行计算技术。首对从不同的并行计算机体系结构模型中抽象简单介绍并行算法基本知识及其并行性能评模式这两个重要问题，最后对并行化工作涉

流程图,行程序,模式,流程图

第 27 页流程图中各个步骤的主要功能如下：1）读入工作控制变量：从工作控制文件中读入模式运行信息同时输出到终端以及输出跟踪文件中，并读入工作控制变量以备初始化之用。2）初始化：为模式终止运行设置计时器；从各初始资料数据文件中读入初始资料数据。初始资料文件包括：地表条件文件 SBC.AGCM、臭氧资料文件GAS.AGCM、初始化及重启动信息文件 OTP.AGCM。设置每次启动时的初始条件。3）模式动力框架计算：做动力框架计算的准备工作；积分干绝热无摩擦动力框架；平滑计算。4）水平扩散：消除由 FFT 等引起的非正定水汽混合比，并做前、后半步水平扩散。

流程图,函数调用,流程

.3 格点模式的可并行性特点前两节对 IAP9L AGCM 的数据相关性分析和耗时分析可知，大气环流量主要在动力框架和物理过程两大部分。在 IAP9L AGCM 中，辐射传输水过程，摩擦项及地表面能量收支等计算模式方程组中汇源项的物理过案占全部计算量的 94%以上，由动力框架和水汽平流组成的模式动力计算量占全部计算量的 5%左右。模式物理过程（降水过程、辐射过程程以及摩擦过程）计算的共同特点是只在每个气柱内计算，相邻气柱间向联系只通过物理过程中少量的滤波计算以及少量的全局计算来实现。方向格点间物理过程计算的互不相关性使我们能够实现气候模式的高效。一个串行程序的并行实现，主要是针对串行代码中计算量较大的那些行的，因为在并行系统上进行并行计算的目的是加速整个计算过程，使速比越高越好。Amdahl 定律指出，串行分量越小和并行额外开销越小越大。在 IAP9L AGCM 并行中，若对整个模块进行并行，让每个处理

【参考文献】