Zur Simulation der Atmosphäre im Rahmen der numerischen Wettervorhersage ist heute der Einsatz
leistungsstarker Vektorrechner üblich und nicht mehr wegzudenken. Aufgrund der komplexen Gleichungen,
die bei dreidimensionalen instationären Strömungsvorgängen mit Berücksichtigung der zahlreichen
physikalischen Nebenbedingungen einer realen Anwendung in der Atmosphäre auftreten, ist
eine Simulation mit vertretbarem Zeitaufwand nur für relativ grobe Auflösungen der Modellgebiete zu
realisieren.
Qualitative Verbesserungen von Atmosphärensimulationen, d.h. verläßlichere und genauere Prognosen,
lassen sich durch feinere Auflösungen der verwendeten Rechengitter erzielen (vgl.
[10],[14],[18]), erfordern aber eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit der Computersysteme. So
hat bereits eine Verfeinerung des Rechengitters um den Faktor 2 in allen drei Raumrichtungen einen
insgesamt achtmal höheren Rechenaufwand zur Folge. Mit den derzeit eingesetzten Rechnern sind
solche Simulationen wegen des immensen Zeit- bzw. Rechenaufwands in den meisten Fällen nicht
sinnvoll. Nach heutigem Kenntnisstand sind bei Rechnerarchitekturen mit einem gemeinsamen Hauptspeicher,
zu denen auch die Vektorrechner zählen, die physikalischen Grenzen der Hardware nahezu
erreicht und es ist deshalb in Zukunft nicht mehr mit einer wesentlichen Steigerung der Performance
dieser Architekturen zu rechnen.
Eine signifikante Leistungssteigerung kann in naher Zukunft nur von Computerarchitekturen mit verteiltem
Speicher, den massiv-parallelen Rechnersystemen, zur Verfügung gestellt werden. Im Forschungsbereich
wurden in den vergangenen wenigen Jahren bereits erste Erfahrungen mit solchen
Rechnern mit bis zu vierstelligen Prozessorzahlen gesammelt. Der Einsatz von Parallelrechnern eröffnet
der oben beschriebenen Problematik also eine neue Perspektive.
In diesem Rahmen war es Ziel dieser Arbeit die Möglichkeiten der Parallelisierung von Programmen
aus dem Bereich der meteorologischen Modelle zur Simulationen der Atmosphäre anhand des Programmpakets
MM5 (Mesoscale Model Version 5) zu untersuchen ([3],[16],[17]). Bei dem Umfang
dieses Modells zur kurzfristigen Wetterprognose und aufgrund des begrenzten Zeitrahmens einer
Diplomarbeit konnten nur Hauptkomponenten des MM5 Gegenstand der Untersuchungen sein. Dafür
wurde eine geeignete sequentielle Programmversion erstellt, die die wesentlichen dynamischen
Teile der wichtigsten Variablen enthält, und auf einen massiv-parallelen Rechner portiert.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Mathematische und physikalische Grundlagen
- Partielle Differentialgleichungen
- Numerische Behandlung parabolischer Anfangsrandwertaufgaben
- Differenzenverfahren
- Konsistenz, Konvergenz und Stabilität
- Das Courant-Friedrichs-Lewy-Kriterium
- Hydrodynamik
- Physikalische Erhaltungssätze
- Die Grundgleichungen als Anfangsrandwertaufgabe
- Einige meteorologische Elementarphänomene
- Das meteorologische Modell MM5 (Mesoscale Model 5)
- Aufbau und Konzept des MM5-Modells
- Physikalische Modellierung
- Hydrostatische Approximation
- Vertikale Modellkoordinate
- Projektion des Modellgebiets
- Grundgleichungen des MM5-Modells
- Parametrisierung physikalischer Prozesse
- Horizontale Diffusion
- Feuchtigkeit
- Diskretisierung des Modellgebiets
- Horizontale Auflösung als „Staggered Grid“
- Vertikale Auflösung in σ-Niveaus
- Finiter-Differenzen-Algorithmus
- Diskretisierung der Grundgleichungen
- Zeitintegration und Filterung
- Seitliche Randbedingungen („Randrelaxation“)
- Sequentielles Programm
- Konzepte zur Parallelisierung meteorologischer Modelle
- Paralleles Rechnen
- Aufbau und Ablauf paralleler Programme
- Bewertung paralleler Programme
- Ansätze zur Parallelisierung des MM5
- Analyse der Parallelisierbarkeit
- Daten-paralleles Modell
- Dekomposition des Modellgebiets
- Paralleles Rechnen
- Parallelisierung des MM5-Programmcodes
- Erfahrungen bei der Portierung des sequentiellen Codes
- Portierung des CRAY-Codes in Standard-Fortran
- Konvertierung der Daten
- Das parallele MM5-Programm
- Datenabhängigkeiten
- Partitionierung des Rechengitters
- Kommunikation der Prozesse
- Erfahrungen bei der Portierung des sequentiellen Codes
- Ergebnisse
- Untersuchungen von Laufzeit, Effizienz und Load-Balancing
- Meteorologische Überprüfung der Ergebnisse
- Schlußbetrachtung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Parallelisierung des meteorologischen Modells MM5 (Mesoscale Model 5). Das Ziel ist es, die Berechnungszeit des Modells durch die Verwendung von Parallelrechnern zu reduzieren und so die Effizienz zu steigern. Die Arbeit konzentriert sich auf die parallele Umsetzung des MM5-Codes und die Analyse der erzielten Effizienzsteigerungen.
- Parallelisierung von meteorologischen Modellen
- Analyse der Parallelisierbarkeit des MM5-Modells
- Entwicklung eines parallelen MM5-Codes
- Evaluierung der Effizienz und Skalierbarkeit des parallelen Codes
- Untersuchung der meteorologischen Qualität der Ergebnisse
Zusammenfassung der Kapitel
- Einleitung: Die Einleitung führt in die Thematik der Parallelisierung meteorologischer Modelle ein und erläutert die Bedeutung des MM5-Modells. Die Arbeit stellt die Zielsetzung und den Aufbau der Arbeit dar.
- Mathematische und physikalische Grundlagen: Dieses Kapitel behandelt die mathematischen und physikalischen Grundlagen, die für das Verständnis des MM5-Modells relevant sind. Dazu gehören partielle Differentialgleichungen, numerische Verfahren, hydrodynamische Gleichungen und meteorologische Grundprinzipien.
- Das meteorologische Modell MM5 (Mesoscale Model 5): Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise des MM5-Modells. Es werden die physikalischen Modellierungen, die Parametrisierungen, die Diskretisierung des Modellgebiets und der Finiter-Differenzen-Algorithmus erläutert.
- Konzepte zur Parallelisierung meteorologischer Modelle: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Konzepte des parallelen Rechnens und erläutert verschiedene Ansätze zur Parallelisierung von meteorologischen Modellen.
- Parallelisierung des MM5-Programmcodes: Dieses Kapitel beschreibt die konkrete Parallelisierung des MM5-Codes. Es werden die Portierung des sequentiellen Codes, die Datenabhängigkeiten, die Partitionierung des Rechengitters und die Kommunikation der Prozesse erläutert.
- Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Parallelisierung, die in Form von Laufzeitmessungen, Effizienz- und Load-Balancing-Analysen sowie einer meteorologischen Überprüfung dargestellt werden.
Schlüsselwörter
Die Arbeit befasst sich mit zentralen Themen der Meteorologie und des parallelen Rechnens. Die wichtigsten Schlüsselwörter sind: meteorologisches Modell, MM5, Parallelisierung, paralleles Rechnen, Effizienz, Skalierbarkeit, Datenabhängigkeiten, Rechengitter, Kommunikation, Meteorologie, Hydrodynamik, numerische Verfahren.
- Arbeit zitieren
- Jens Cords (Autor:in), 1994, Parallelisierung von meteorologischen Modellen unter besonderer Berücksichtigung des Produktionscodes MM5, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/9011
