В. М. Степаненко Д. Н. Микушин

1. Численное моделирование региональных атмосферных процессов • на вычислительных системах • гибридной архитектуры В. М. Степаненко • Д. Н. Микушин

2. ИЕРАРХИЯ АТМОСФЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫЕ разрешение 10-100 км Циркуляции планетарного и синоптического масштабов: Пассаты, муссоны, циклоны и антициклоны, ... (GFDL, ECHAM, HadCM, INM RAS, …) РЕГИОНАЛЬНЫЕ разрешение 1-10 км Циркуляции масштабов мезо-α, β, γ: Бризы, фены, бора, линии шквалов… (MM5, WRF, Meso-NH, NH3D, …) ВИХРЕРАЗРЕШАЮЩИЕ разрешение 1-100 м Циркуляции в атмосферном пограничном слое, городские циркуляции, ... Разрешения 100 м – 1 км – “Terra Incognita”

3. Задача создание системы оценки региональных последствий изменений климата на основе сопряжения атмосферных моделей разных масштабов Глобальная климатическая модель Региональная модель Вихреразрешающая модель

4. РЕГИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ NH3D (Universities of Reading, Lisbon, Tartu) • трехмерные уравнения термогидродинамики • негидростатическая система • микрофизика облаков и осадков • деятельный слой суши • конечно-разностные методы решения • горизонтальное разрешение2 – 10 км Обтекание воздушным потоком горного рельефа (Miranda and James) Вертикальная координата

5. Система уравнений гидротермодинамики в σ-системе координат

6. РАЗВИТИЕ РЕГИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ Модель переноса атмосферных аэрозолей (Микушин и Степаненко) Модель переноса солнечного и теплового излучения (Chou, Suarez) Модель снежного покрова и деятельного слоя суши ИВМ РАН (Володин и др.) Модель водоема LAKE (Степаненко и Лыкосов)

7. САЛЬТАЦИЯ И ПЕРЕНОС АЭРОЗОЛЕЙ COMprehensiveSALTation model (COMSALT) Kok, J.F., and N.O. Renno Аральское море

8. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕСТНЫХ ЦИРКУЛЯЦИЙ Черноморский бриз Перенос атмосферной примеси над гидрологически неоднородной поверхностью Западной Сибири Температура воздуха • Разрешение: • ∆x = ∆y = 3.7 км • 21 σ – уровней • ∆t = 5 с

9. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА Эмиссия метана термокарстовыми озерами (модель водоема LAKE) • Озера ~ 10 км → Δx~Δy~1 км • Размер области ~ 1000 км • Количество уровней по вертикали 20 - 40 Размерность задачи – 107 Перенос и трансформация метана в атмосфере (региональная модель)

10. СОПРЯЖЕНИЕ РЕГИОНАЛЬНОЙ И ВИХРЕРАЗРЕШАЮЩЕЙ МОДЕЛЕЙ Вложенная область вихреразрешающей модели • Задачи: • детализация полей • региональной модели • развитие моделей турбулентности в АПС для моделей высокого • пространственного разрешения Область региональной модели

11. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ НА МНОГОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЕ Специфика задачи: низкая плотность вычислений на единицу данных производительность ограничена скоростью работы памяти и обменной сети Подобласть процесса Обмены граничными элементами

12. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АЛГОРИТМОВ МОДЕЛИ НА КЛАСТЕРЕ “ЧЕБЫШЕВ” • Явная схема уравнений движения • (обмены на границах подобластей) Суперлинейное ускорение за счёт кэширования • Эллиптические уравнение • (глобальные обмены) «Насыщение» ускорения на 100 процессорах

13. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛАСТЕРА “ЧЕБЫШЕВ” ‒ + • Высокий уровень технической поддержки пользователей • Нестабильные показатели производительности • ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ • переход к алгоритмам с • лучшими параллельными свойствами • реализация существующих алгоритмов на • процесорных архитектурах с • быстрым обращением к памяти

14. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АРХИТЕКТУРЫ CELL • Высокая пропускная способность оперативной памяти • Ускорение > 8раз на одном узле для многих алгоритмов (векторизация) • Низкая скорость работы обменной сети препятствует эффективному использованию ускорителей в атмосферном моделировании ≈ 3 Мбайт/сек Полупетафлопный кластер СELL-сервер

15. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МОДЕЛИ • Повышение пространственного разрешения • Развитие конечно-разностной схемы • Улучшение параллельных свойств алгоритмов – • использование проекционных методов решения СЛАУ • Увеличение шага по времени – • реализация вертикальной диффузии по неявной схеме • Обеспечение корректных свойств конечно-разностных схем – • реализация схемы «кабаре» для уравнения переноса примеси • Развитие параметризаций физических процессов • Включение новых параметризаций – • модель сальтации, осаждения аэрозолей, • трансформация метана в атмосфере • Пересмотр параметризаций на более высоком разрешении – • турбулентное замыкание

16. http://geophyslab.srcc.msu.ru/

17. БИБЛИОГРАФИЯ P. M. Miranda. Gravity waves and wave drag in flow past three dimensional isolated mountains. - Phd Thesis, University of Reading, 1990, 191 pp. Chou, M.-D., M.J. Suarez, X.Z. Liang, and M.M.-H. Yan A thermal infrared radiation parameterization for atmospheric studies. - Technical report series on global modeling and data assimilation, NASA/TM-2001-104606, Vol. 19, 55 pp. Chou, M.-D., and M.J. Suarez, 2002: A solar radiation parameterization for atmospheric studies. - Technical report series on global modeling and data assimilation, NASA/TM-1999-10460, Vol. 15, 42-42. В.М. Степаненко, Д. Н. Микушин. Численное моделирование мезомасштабной динамики атмосферы и переноса примеси над гидрологически неоднородной поверхностью. - «Вычислительные технологии», 2008, т. 13, ч. 3, стр. 103-110. Е. М. Володин, В. Н. Лыкосов. Параметризация процессов тепло- и влагообмена в системе растительность-почва для моделирования общей циркуляции атмосферы. 1. Описание и расчеты с использованием локальных данных наблюдений. – Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 1998, том 34, с. 453-465. В.М. Степаненко, В. Н. Лыкосов. Численное моделирование процессов тепловлагопереноса в системе водоем-грунт. – «Метеорология и климатология», №3, 2005, стр. 95-104.

18. Система оценки региональных гидрологических последствий изменений климата 1D, 3D модели водоема Климатическая модель ИВМ РАН Ансамблевые расчеты по полулагранжевой модели ИВМ РАН-Гидрометцентра Расчеты климата XXI века новой версией модели ИВМ РАН по сценариям IPCC 1) Оценка эффектов водоемов на региональный климат и его изменения в будущем 2) Оценка эволюции вечной мерзлоты, снежного покрова, термокарстовых озер и эмиссии метана Оценка стока больших рек Статистическая детализация («даунскейлинг») расчетов Развитие технологий мезомасштабной детализации метеорологических полей (турбулентные замыкания и сопряжение с вихреразрешающей моделью) Оценка стока средних и малых рек

19. Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова Научно-Исследовательский Вычислительный Центр