网格技术在中尺度数值天气预报MM5模式中的应用

以中尺度数值天气预报MM5在网格环境下运行为例,分析了基于网格计算的应用系统在资源共享方面的应用.介绍了中尺度数值预报模式的差分近似算法,并以基于网格计算的中尺度数值天气预报MM5为例,给出了在网格环境下的实验流程和结果.实验表明.使用Globus技术使得原本只能在集群或小型机上运行的科学计算程序能够在普通PC上运行起来,并且随着加入网格机器的增多,可以提高运行速度和吞吐量.     

中尺度天气模式在龙芯通用CPU平台的移植和应用

龙芯是中国科学院计算技术研究所自主研发的通用中央处理器(central processing unit,CPU),采用MIPS精简指令集构架.数值天气预报领域是目前高性能计算应用的重要领域之一,本研究选取广泛使用的中尺度气象模式MM5开展龙芯平台天气预报系统研发,在龙芯3A平台成功移植完成MM5模式所依赖的MPICH等各类软件库,构建MM5模式运行的龙芯版软件环境.在此基础上,实现MM5模式下垫面处理模块TERRAIN、水平空间插值模块REGRID、垂直插值模块INTERPF以及MM5模式主模块在龙芯平台的编译移植,并实现MM5模式主模块在龙芯3A平台的并行运行.基于以北京为核心区域的嵌套模拟测试表明,运用单个龙芯3A节点模拟48h情景需要耗费大约50h,未来随着龙芯计算节点增加计算耗时将随之降低,将有望在龙芯计算平台实现中尺度气象模式的预报模拟.本研究同时完成格点分析显示系统(grid analysis and display system,GrADS)和三维可视化软件Vis5D在龙芯平台的编译移植,并以此构建中尺度气象模式预报系统展示子系统,实现龙芯平台中尺度气象模式模拟所需要的全生态移植与应用.     

基于MM5模式的大连近海地区风能资源评估

利用MM5中尺度气象模式和美国国家环境预报中心提供的1°×1°再分析初始场资料,对大连近海地区的风场进行了网格距为3km的高空间分辨率数值模拟,模拟时段为2000年全年.通过对比3个气象站风速的数值结果与站点观测结果,验证了该模式的有效性.对MM5模式的输出结果进行了后处理,得到了大连近海地区的年平均风速、年平均功率密度和年可利用时间等评估参数的等值线图,对大连市近海风能资源分布情况进行了分析.结果表明,大连近海地区风能资源较为丰富,具有较大的开发价值.     

南海台风Vongfong(2002)的数值模拟试验

利用美国国家大气研究中心和宾夕法尼亚州立大学联合研制的第5代中尺度气象模式MM5对南海台风Vongfong(2002)进行了数值模拟试验,通过路径和移速、强度变化、地面最大风速、降水量和暴雨分布以及云系和螺旋雨带等方面的比较验证表明,MM5模式对台风Vongfong的模拟是比较成功的.模式运行中使用了QuiikScat海面风资料和四维资料同化技术,四维资料同化技术对模拟结果有很好的改善.     

中尺度暴雨模式MRM 1作者简介及预报效果检验

介绍了近年来我们所研制的中尺度暴雨模式MRM1的基本情况及特点,以及对1998年,1999年和2001年6月、7月的降水集中时段进行的逐日降水预报试验及效果检验,并和美国著名中尺度模式MM5进行了同一时段降水预报检验的比较.结果表明,它是目前国内较好的中尺度暴雨预报模式,在暴雨预报方面较MM5也有一定优越性.     

一次梅雨锋中尺度暴雨的模拟试验

利用中尺度气象模式MM5对1998年6月23－26日梅雨锋中的一次中尺度暴雨过程中进行了二重网格双向嵌套全物理过程的模拟试验。控制试验模拟结果与实况比较吻合，对降水的模拟结果表明，选择合适的物理方案，MM5能很好地模拟出梅雨锋中尺度雨团的位置、强度及移动，对开展中尺度天气数值预报具有报导意义。对可分辨尺度降水物理方案和边界层方案的试验表明：就本个例而言，用简单冰相的参数化方案能较好地描述梅雨锋中的中尺度降水物理，其效果优于混合冰相；Blackadar高分辨率边界层方案效果优于MRF方案。     

中尺度暴雨模式MRM1简介及预报效果检验

介绍了近年来我们所研制的中尺度暴雨模式MRM1的基本情况及特点，以及对1998年，1999年和2001年6月、7月的降水集中时段进行的逐日降水预报试验及效果检验，并和美国著名中尺度模式MM5进行了同一时段降水预报检验的比较。结果表明，它是目前国内较好的中尺度暴雨预报模式，在暴雨预报方面较MM5也有一定的优越性。     

用中尺度模式输出污染气象的拉格朗日湍流统计量

大气对污染物的稀释和扩散能力随气象条件的改变而发生巨大的变化，而各种湍流特征参数能反映出大气对污染物的扩散能力，因而计算这些参数对污染物浓度的预报有很大的帮助．以往，各种湍流特征参数都是通过局地测量获得的，而要获得较大尺度的扩散背景场，单靠单点测量是做不到的．试图利用MM5模式中的中尺度模式输出量来计算一些湍流特征参数，这些参数可以代表网格上的平均值．选择了MM5中的Mellor-Yamada level 2.5的边界层参数化方案，用输出的q^2-(湍流动能的两倍)，再通过解一个代数方程组，求得另外的各种二阶湍流矩量u^2-、v^2-、w^2-。然后利用这些二阶矩量来计算拉格朗日积分时间尺度、自相关系数，尝试用中尺度模式来输出这些量．经计算结果的分析表明，模式输出的这些拉格朗日湍流统计量是合理的，因而利用这种方法来计算拉格朗日湍流统计量是可行的，进一步，这种方法可应用于空气污染扩散的预报中．     

数值天气预报与并行计算

从社会需求出发,论述了开展中尺度数值预报的重要性,及数值预报对高性能计算机的要求;介绍了中尺度气象模式MM5的结构特征;给出中尺度模式的差分近似算法;分析了数值天气预报模式并行计算的可行性。     

“95.1”高原暴雪及其中尺度系统发展和演变的非静力模式模拟

为了对青藏高原暴雪进行深入的数值模拟研究,在对1995年1月17-18日（“95.1”）高原暴雪进行天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值模式MM5对该次暴雪过程进行了数值模拟。数值模拟结果和客观分析结果的比较表明,非静力中尺度数值模式MM5有能力再现地面以上大、中尺度环流系统和热力场;同时MM5能够成功地模拟出复杂大地形条件下“95.1”高原暴雪中尺度低涡的发生、发展及结构演变。模拟的运动场和云微物理量场的时空演变表明,垂直运动场与水汽场的耦合是水汽凝结和冻结成雪的运动学条件;气旋性涡柱和上升运动及深厚湿舌的耦合是暴雪形成的一种重要动力机制;模拟的流场演变表明流场更能表征高原上的中尺度系统。     

基于视窗操作系统网络并行计算环境的建立与应用

针对单台微型计算机进行数值模拟耗时长的问题,在微软公司开发的32位视窗操作系统下建立了网络并行计算环境.把2台微型计算机连成一个星形结构的以太网,以并行虚拟机作为网络并行计算平台、Vi sualC 作为开发工具,通过建立帐号及主目录、配置网络、设置系统环境变量和测试等步骤,完成了并行虚拟机的配置与调试.采用C语言自行研制了并行凝缩算法的源程序,并进一步以主从进程模式对金属平板轧制过程的弹塑性力学行为进行了数值模拟.研究结果表明,所建立的网络并行计算环境运行可靠,并行加速比可达1 785,并行效率达到了89%,与单台微型计算机相比,不仅提高了运行速度,且大大缩短了计算时间.     

基于多GPU加速的各向异性弹性波正演模拟

比较分析了在不同网格大小介质模型情况下,分别采用串行计算、CPU 16个线程并行计算和4块GPU并行计算进行各向异性弹性波动方程正演模拟的执行时间差异。发现在网格点为2563的大模型上,用4块GPU的并行模拟计算相对16线程并行计算与串行计算的加速分别为30倍与156倍。表明多GPU并行算法可以显著缩短数值模拟时间,而且模型网格越大,加速效果越显著。因此,在单机环境下进行大尺度模型的各向异性弹性波正演模拟,采用多GPU并行计算方式是一个合适的加速选择。     

云环境下基于预分片的遥感数据并行重采样方法

面向海量高分辨率遥感影像数据快速发布需求,针对当前云环境下遥感影像数据并行重采样存在的难题,结合云平台MapReduce并行计算框架特性和遥感影像数据处理特点,提出了一种基于预分片的遥感影像数据并行重采样方法,通过预分片机制有效实现了该框架中对影像数据分片和并行重采样任务的控制,解决了MapReduce难以用于并行处理非结构化、具有空间位置特征的遥感影像数据的问题,从而实现了云环境下遥感影像数据的高效并行重采样.通过在开源云平台Hadoop上的实验和分析表明,该方法具有良好的重采样性能,能够实现高分辨率遥感影像数据的高效重采样.     

精密电容器误差的网络并行计算

利用局域网和标准信息传递库构成网络并行计算环境。基于变动边界微扰法,实现了精密电容器误差的并行计算。改进了传统的Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ方法。新方法在计算量、计算速度及稳定性上都优于原方法,并在实际计算中取得了良好的效果。最后,将用单机和用并行机进行计算的结果作了对比,讨论了与并行计算效率有关的因素。     

池化分布式计算网络系统的设计与实现

通过连接众多计算资源,搭建分布式计算环境来进行分布式计算已成为一种重要趋势。本文明确了搭建分布式网络系统和目前网络结构之间的矛盾,通过分析目前分布式计算系统结构的本质特征,提出了池化分布式并行计算网络连接结构并讨论了其中关键难点问题。     

云计算环境下关联规则数据挖掘算法研究

在海量数据的关联规则数据挖掘中,采用并行计算是非常必要的;针对当前的关联规则算法,运用并行算法的思想,结合云计算环境下的Hadoop架构,提出了Hadoop下的并行关联规则算法的设计,最后实验表明,该算法能处理节点失效,并且能实现节点负载均衡。     

一个支持任务动态调度和进程迁移的PC机群并行计算系统

介绍一个基于任务排队的能够动态调度并行任务且具有进程迁移功能的PC机群并行计算环境.     

PVM特性

目前 ,计算机应用越来越复杂 ,单台微机已经不满足需要。因此 ,基于网络机群的并行处理引起了许多专家的关注。PVM(ParallelVirtualMachine)是一种消息传递库。它为用户提供了一个并行处理环境。本文详细介绍了PVM的消息传递库及其特性     

相控阵雷达仿真系统并行计算研究

针对共享存储多处理器的集群环境,研究了减少相控阵雷达仿真系统运行时间的并行计算方法.根据相控阵雷达多个波束处理过程的相对独立性和信号处理仿真中多个距离单元采样点的计算特点,提出了一种粗粒度消息传递接口(MPI)分布式内存和细粒度OpenMP共享内存混合编程的两级并行方法.实验结果表明,并行计算使系统的仿真速度有较大提高.