[发明专利]一种用于地球系统模式的并行耦合方法

说明书

技术领域

本发明属于地球系统模式的耦合技术领域，特别涉及一种用于地球系统模式的并行耦合技术方案。

背景技术

地球系统模式是全球变化研究中一个不可或缺的用于模拟整个地球系统的动力、物理、化学和生物过程变化的科研工具，该工具用编程实现。耦合器作为一个专用的高性能技术平台，将模拟地球各圈层（地球系统中某个子系统）的分量模式连接起来，是构成完整的地球系统模式的核心组件。耦合器具有两个主要功能：并行通信，由于能量守恒，分量模式在公共交界面上会进行大量的数据交换；并行插值，由于不同分量模式基于的网格不同，并行通信得到的数据需要进行转换，即通过插值计算将远程数据拟合到本地分量模式所基于的网格上。

随着地球科学的发展，更多分支领域的分量模式将接入到地球系统模式中，如大气化学分量模式、动态植被分量模式等；未来各种分量模式的分辨率将大大提升，如下一代大气分量模式的水平分辨率将达0.1度，包括日本的丽音(ICAM)以及欧洲的哈德莱(HadAM)；将来不同分量模式之间的耦合频率也会越来越高；新型的分量模式需要进行三维耦合，如海浪分量模式、气溶胶分量模式等。根据地球系统模式的发展趋势，耦合器未来所要承载通信和插值任务将会变得异常艰巨。

目前，地球系统模式发展主要依托美国NCAR的耦合器CPL系列以及法国CERFACS的耦合器OASIS系列。假设分量模式A和分量模式B进行耦合，分量模式A基于网格A，通过三个进程P1、P2、P3运行，分量模式B基于网格B，通过2个进程P4、P5运行，并行插值在分量模式B处进行（将网格A上的耦合物理量数据插值到网格B上，此时，网格A为源网格，网格B为目标网格）。在地球系统模式的运行过程中，已有的两个分量模式A和分量模式B并行耦合方法分为耦合初始阶段、耦合运行阶段及耦合结束阶段，分别具体说明如下：

1.耦合初始阶段

分量模式A和B通过调用耦合器提供的初始化接口函数，对耦合器相关功能模块进行初始化，如图1所示，耦合器的初始阶段至少包含以下7个步骤。

步骤1-1：从namelist文件中读取namelist信息，包含了耦合相关的运行参数及数据文件等，这部分信息由用户给定；

步骤1-2：根据通信配置中的通信信息初始化MPI通信域，包括地球系统模式的全局通信域和分量模式A和B的局部通信域，通信配置信息由用户给定；

步骤1-3：根据剖分配置中的并行剖分配置信息初始化静态剖分，并行通信需要分量模式A和分量模式B基于相同网格上进行，因此，分量模式B除了基于网格B的并行剖分外还需要增加一个基于网格A的并行剖分用于和分量模式A进行并行通信；如图2(a)所示，分量模式A基于网格A，其中进程P1、P2、P3各负责3个网格单元，该并行剖分由分量模式自身提供，通过调用耦合器提供的初始化接口函数进行参数导入，分量模式B基于网格B的并行剖分采用同样方式进行初始化；如图2(a)所示，分量模式B基于网格A，进程P4负责4个网格单元，进程P5负责5个网格单元，该并行剖分由用户在剖分配置中给定剖分方式，在剖分初始化过程中调用相应的剖分算法生成得到，该步骤中的并行剖分为静态剖分；

步骤1-4：根据网格配置中的网格配置信息初始化网格，网格信息可来自分量模式，通过调用耦合器提供的初始化接口函数进行参数导入，也可通过网格配置中的网格数据文件以及步骤1-3中生成的静态剖分得到基于剖分的网格信息，即保留进程所负责网格单元信息(对于分量模式而言，用网格覆盖整个地球表面，然后根据进程数进行分块，每一块代表地球一个子区域，包含一定数量的网格单元，每个进程负责一个子区域上的科学计算)；

步骤1-5：分量模式B的进程将基于网格B的静态剖分作为目标网格单元集合，搜索插值配置中包含的插值系数文件，获取对应的插值权重系数，构成插值权重矩阵；接着，根据插值权重矩阵得到插值计算所需的网格A的网格单元集合；然后，根据基于网格A的静态剖分，求出不在该进程上的网格单元集合作为子区域信息；最后建立两个并行路由，一个用于发送其它进程所需的子区域上的数据，一个用于接收本进程所需的子区域上的数据，具体操作为：分量模式B的进程间两两握手，交换基于网格A的并行剖分以及子区域信息，获得完整的基于网格A的并行剖分以及子区域信息后，各进程将自身负责的子区域信息与完整的基于网格A的并行剖分进行求交，确定子区域上的网格单元是由哪个进程负责的，建立起用于接收数据的通信映射关系，每个进程将自身的并行剖分与完整的子区域信息进行求交，确定该进程所负责的网格单元是哪个进程所需的子区域信息，建立起用于发送数据的通信映射关系；