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三维变分同化并行计算研究及实现

作　者: 孔令梅
导　师: 宋君强
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 三维变分同化 GRAPES 3DVAR 并行计算阶段并行垂直层分解性能分析
分类号: TP311.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

自二十世纪五十年代初起，气象学家就致力于发展数值天气预报(NWP)技术，来提高天气预报的准确性。为了在常规观测资料稀疏的区域得到较好的预报值，数值天气预报领域开发出了多种数据同化技术。三维变分同化(3DVAR)就是八十年代末兴起的一种客观分析方法，它已经成为当前数值天气预报中最常用的数据同化方法之一。三维变分同化的计算量和存储量巨大，其并行计算是实现三维变分同化业务化的关键。本文提出了全球和区域同化预报系统(GRAPES)一种简单、快速的并行计算方案，并从复杂度、可扩展性、负载平衡、加速比和效率等方面对并行性能进行了评估。在16CPU机群上的数值实验结果表明，该并行计算方案获得了较好的负载平衡和并行效率。本文还通过静态和动态性能分析，揭示了影响该并行计算方案可扩展性的原因。本文的工作具有如下的创新性：(1)成功地将阶段并行模型应用于三维变分同化的并行计算，并行计算方案简单有效；(2)提出了物理场并行和垂直层分解相结合的新的三维变分同化并行计算方案。

全文目录

图目录  6-7
表目录  7-8
摘要  8-9
Abstract  9-10
第1章绪论  10-17
  §1.1 研究背景  10-11
  §1.2 气象资料同化方法及其并行计算  11-16
    §1.2.1 气象资料同化方法发展史  11-14
    §1.2.2 变分同化的区域分解并行策略  14-16
  §1.3 本文的主要工作与创新  16
  §1.4 本文结构  16-17
第2章并行计算原理  17-28
  §2.1 引言  17
  §2.2 数据并行模型  17-22
    §2.2.1 数据分解技术  18-20
    §2.2.2 低秩变量的数据分解  20
    §2.2.3 静态映射技术  20-21
    §2.2.4 数据通信的优化  21-22
  §2.3 并行系统的性能度量  22-25
    §2.3.1 并行系统的开销及其性能度量  22-24
    §2.3.2 并行系统的可扩展性  24-25
  §2.4 阶段并行原理  25-26
    §2.4.1 阶段并行模型  26
    §2.4.2 阶段并行模型应用策略  26
  §2.5 小结  26-28
第3章三维变分同化的原理及其公式  28-42
  §3.1 引言  28
  §3.2 三维变分同化算法的由来  28-29
  §3.3 增量方法  29-30
  §3.4 预条件方法  30-34
    §3.4.1 关于背景误差协方差矩阵的假设  31-32
    §3.4.2 预条件  32-33
    §3.4.3 控制变量变换  33-34
  §3.5 三维变分同化系统的实现  34-41
    §3.5.1 GRAPES 3DVAR简介  34-36
    §3.5.2 三维变分同化算法  36-38
    §3.5.3 三维变分同化系统框架  38-40
    §3.5.4 三维变分同化串行源代码组织  40-41
  §3.6 小结  41-42
第4章三维变分同化的并行计算  42-60
  §4.1 引言  42
  §4.2 并行计算重点的定位  42-44
  §4.3 一种简单、快速的三维变分同化并行计算方案设计  44-59
    §4.3.1 数据划分  44-48
    §4.3.2 数据通信  48-58
    §4.3.3 并行算法描述  58-59
  §4.4 小结  59-60
第5章并行计算数值试验和性能分析  60-67
  §5.1 引言  60
  §5.2 数值实验  60-61
  §5.3 性能分析  61-66
    §5.3.1 复杂度分析  61-64
    §5.3.2 可扩展性分析  64
    §5.3.3 负载平衡分析  64-65
    §5.3.4 试验结果分析  65-66
  §5.4 进一步的讨论  66
  §5.5 小结  66-67
第6章总结与展望  67-69
  §6.1 全文总结  67
  §6.2 展望  67-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间发表的论文  70-71
参考文献  71-72

三维变分同化并行计算研究及实现

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