中尺度数值模式在神威计算机系统中的应用研究.pdf

中尺度数值模式在神威计算机系统中的应用研究 顾建峰 陈家慧 (上海中心气象台，上海，200030)(上海超级计算中心，上海，201203) 王晓峰梁旭东马雷鸣 (上海市气象科学研究所，上海，200030) 计算机能力是制约数值天气预报发展的关键因素之一，计算机技术的每一次突破，都 会给数值天气预报的发展带来新的机遇。上海先后在1995年和1998年利用CDC4680、 业务运行。2000年底成立的上海超级计算中心安装了浮点运算峰值为3840亿次／秒的神威 一I计算机系统，本文利用该计算机开展了中尺度非静力模式1皿15V3．4c3】的应用研究。 1神威一I计算机系统简介 神威一I是一台包括多指令流、多数据流的人规模并行计算机系统，主机共有96个计 算Node和16个I／O 整机(384个CPU)峰值为384．OGflops。 2大暴雨过程数值模拟 2001年8月5日至6日．受中尺度热带低压云团的影响，上海地区发生火暴雨过程， 市区出现了特人暴雨。中尺度数值模式删5V3．4采刚二重舣向嵌套网格结构，水平分辨率 分别为27KM和9KM。模式物理过程包括混合位相的显式方案，粗网格区域采用Betts—Miller 积云参数化方案，细网格区域则没有积云参数化过程，行星边界层参数化采用MRF方案， 2001年8月4日20时预报12小时的 辐射参数化采川CCM2方案。模式客观分析采川NCEP 全球资料(初估场)和8月5日08时的常规地面观测和探空资料，模式粗网格区域的侧边 界条件利用NCEP预报的全球资料，侧边界资料处理每隔6小时一次，数值模拟的初始时间 为2001年8月5日08时．模拟时间为24小时，模式输出每小时一次。 数值模拟结果能够较好地反映出此次上海地区的中尺度暴雨过程t模拟中心雨鼙24小 H寸累计为329mm．100m以上的降水集中在市区。模拟的人暴雨以上的降水分布和特火暴雨 中心均与实况吻合较好。分析逐小时雨量，模拟的主要降水时段与实况较一致(她图1)· 3理想台风强度与大风数值模拟 中尺度数值模式水平分辨率取25KM，分析数值模拟的台风强度演变情况，发现在没有 环境场的作用下，台风在18小时内会迅速加强，模拟18小时的中心气压从初始的990hPa 下降到951．6hPa，增强了38．4hPa。之后，台风有一个缓慢减弱的过程，中心气压在28小 时为959hPa，比18小时减弱了7．4hPa。随后台风存在一个缓慢加强的过程，在43小时又 增强到950．OhPa，最后趋于稳定。 分析模拟台风最强时(43小时)的风场分布，发现最大风速出现在离台风中心大约75 公里处，最大风速的高度出现在750—800米左右，最大风速可达50米／秒以上。台风中心 附近风速最小，离台风中心75公里以外的地方，随着离台风中心的距离增加，风速也逐渐 减小。 4 中尺度数值天气预报系统 4．1中尺度模式动力框架 利用中尺度模式MM5V3．4，结合神威一I计算机的实际运算能力，研究建立非静力平衡 的上海中尺度数值预报模式的动力框架，预报区域设计为四重嵌套网格结构，DO．INl水 取9KM，覆盖长江三角洲地区和杭州湾地区；DOMAIN4取3KM，覆盖上海地区。 4．2并行计算方案 为了更好的发挥并行运算的效率，从中尺度模式动力框架的设计方案和神威计算机的 具体情况出发，进行了缓冲区管理、计算机网格划分和I／0管理三个方面的优化工作。分 别用32、64、128、196个CPU进行并行计算比较，优化后的效率提高了将近40％；并行效 高，因此，应用128CPU进行中尺度模式的并行计算相对是最佳的方案。 4．3中尺度模式预报流程 利用NCEP全球谱模式20时的分析场和每隔6小时的预报场分别作中尺度模式的初估 场和侧边界资料，读取常规探空观测资料和地面观测资料，采用Cressman方法分别对4个 DOMAIN进行客观分析，将等P面上的分析场插值到模式面上，模式计算后，将模式面的预 报场插回等P面，然后再插值到经纬度格点和单站，最后绘成各种预报图象，由数值预报 网站调用。 4．4中尺度数值预报网络系统 中尺度数值天气预报系统建立在上海超级计算中心(SSC)，为了使其具有业务化能力， 根据SSC和上海市气象局(SMB)的实际网络结构，