CN102592251A - 地球系统模式的通用模块化并行耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球系统模式的通用模块化并行耦合系统，属于地球系统科学技术领域。该系统包括：配置信息子系统、耦合生成子系统、地球系统模式运行时子系统和用户接口子系统；用户接口子系统与地球系统模式组件相连，并通过耦合生成子系统与地球系统模式组件配置信息模块相连，地球系统模式用例配置信息模块与地球系统模式组件配置信息模块相连，还通过耦合生成子系统与用户接口子系统相连；地球系统模式用例配置信息模块通过耦合生成子系统与地球系统模式运行时配置信息模块相连，地球系统模式运行时配置信息模块与地球系统模式运行时子系统相连。该系统具有模块化的结构、用户界面友好、通用性好、可维护性好，耦合效率高等诸多特点。

Description

地球系统模式的通用模块化并行耦合系统

技术领域

本发明属于地球系统科学技术领域。特别涉及地球系统模式的耦合系统C-Coupler。

背景技术

地球系统属于复杂系统，是由大气圈、水圈、陆圈(岩石圈、地幔、地核)和生物圈(包括人类)组成的有机整体。地球系统模式是一种对地球系统复杂行为和过程模拟与预测的科学工具大型综合计算程序。它把地球系统的大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈作为一个相互作用的整体来考虑问题，基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组来确定其各部分的性状，由此构成地球系统的数学物理模型，然后用数值的方法进行求解，并通过高性能计算机付诸实现。地球系统模式由多个分量模式，其中每个分量模式是数值求解一种分量的子程序，例如大气模式是数值求解大气的程序。为实现分量模式间的相互作用，需要把分量模式通过联系起来。耦合的基本功能包括实现分量模式间的耦合连接、分量模式间公共界面上的通量计算、耦合过程中物理量的诊断、耦合过程的重启动支持、以及地球系统模式的编译环境和运行环境等。随着地球系统模式的发展，耦合还面临着诸多未来需求，例如分量模式间耦合物理量不断增加、分量模式的数量和种类不断增加、分量模式间的交互式集合、双向区域嵌套耦合、3D物理量耦合等。目前，最常用的耦合软件包括美国国家大气研究中心NCAR研制的耦合器和欧洲委员会资助项目PRISM研制的耦合工具库OASIS。

NCAR耦合器是基于耦合工具库MCT(Model coupling toolkit模式耦合工具集)实现多分量模式耦合的独立软件。其针对全球模式耦合，实现了多个分量模式间的耦合连接，具备通量计算、诊断分析和重启动功能，提供了编译环境和运行环境。从20世纪90年代开始，NCAR耦合器已经发展了多个版本：cpl1～cpl7。图1是基于NCAR耦合器的地球系统模式结构，其中耦合器是一个独立子程序，其作用相当于一个网络集线器，大气、陆面、海洋和海冰等分量模式都与耦合器连接，且只能通过耦合器进行数据交换。除了完成分量模式之间的数据交换外，耦合器还进行分量之间公共界面上的通量计算，例如计算大气和海洋公共界面(即海平面)上的降水、蒸发和辐射等，而当分量模式之间计算网格(计算网格是分量模式针对地球系统圈层在空间尺度上的一种分割)不相同时，耦合器还完成必要的数据插值过程。例如对于图1，设海洋模式和大气模式的网格不同，当海洋模式需要获得来自于大气模式的降水时，大气模式首先把降水数据发给耦合器，耦合器收到大气模式的数据后将其插值到海洋模式的网格上，然后进行通量计算，最后把计算所得的降水数据发给海洋模式。海洋模式也可以把自己的数据传给大气模式，例如把海水蒸发的数据通过耦合器给大气模式。NCAR耦合器的主要优点是实现分量模式连接时的工作量小，不同的地球系统模式可以共享耦合器提供的耦合流程，而分量模式只需提供数据和获取数据，无需关心数据来源和其他分量模式的细节信息。尽管如此，NCAR耦合器存在以下不足，：

1、需要满足耦合器的限制：耦合器连接的分量模式数量和分量模式类型是特定的，不能改变。例如耦合器版本cpl6只能连接四个分量模式：大气模式、海洋模式、陆地模式和海冰模式。

2、在通用性方面：不支持双向区域嵌套耦合，不支持分量模式在线集合(例如多个大气模式数据的平均)。

3、在灵活性方面：耦合频率以分量模式为单位；输出频率以耦合器为单位；插值算法的选择以通量组和状态量组为单位。

4、在可维护性方面：分量模式及耦合物理量的增减、耦合数值功能的扩展与耦合计算性能的优化都需要修改耦合器代码。

5、在数值耦合功能方面：不支持三维数据的耦合，仅支持二维数据的耦合。

6、在计算性能方面：尽管实现了分量模式多个进程与耦合器多个进程之间的并行通信，但没实现异步通信，此外耦合器集中控制分量模式耦合的方式会导致冗余通信。

不同于NCAR耦合器，OASIS工具库并不实现分量模式间的耦合连接，而是提供实现耦合连接的基本功能：分量模式间的物理量通信函数、插值算法、重启动函数。因此分量模式间的耦合连接、通量计算和诊断等耦合功能都由用户自行实现。图2是基于OASIS的地球系统模式结构，其中OASIS不是独立的模块，而表现为分量模式之间的连接关系(即图中的箭头)。当用户使用OASIS构建地球系统模式时，需要把有物理量交换的分量模式连接起来。例如为了实现大气模式和海洋模式的耦合，需要使用OASIS的通信函数接口实现两个模式之间的数据交换。而当大气模式与海洋模式的网格不同时，需要使用OASIS的插值算法接口进行插值。OASIS并不处理分量模式耦合频率不一致的问题。例如大气模式需要根据海洋模式发送数据的频率去接收和处理海洋模式的数据。此外OASIS不提供通量计算算法，为实现海洋-大气之间的通量计算，用户需要自己提供通量算法。OASIS以工具库的形式给用户实现耦合，比NCAR耦合器更具有灵活性，但其存在以下主要不足：

1、在通用性方面：耦合分量模式的难度大，不仅需要考虑其他分量模式的细节信息，还需要实现必要的通量计算和通量诊断等功能；分量模式在线集合的实现需要大量工作。

2、在可维护性能方面：分量模式及耦合物理量的增减、耦合数值功能的扩展与耦合计算性能的优化都需要修改分量模式耦合接口代码。

3、在计算性能方面：尽管分量模式之间的直接耦合不会导致冗余通信，但耦合计算性能依赖各分量模式耦合接口，难以做到整体计算性能优化。

综上所述，尽管相关工作已得到广泛使用，但它们在通用性、可维护性和计算性能方面均存在不足。随着地球系统模式耦合的分量及模式不断增多，以及双向嵌套耦合和在线集合等需求的发展，上述不足将限制相关工作的应用。

发明内容

本发明为了满足地球系统模式长期发展的需求，提出一种地球系统模式的通用模块化并行耦合系统(简称C-Coupler)，该系统具有模块化的结构、用户界面友好、通用性好、可维护性好，耦合效率高等诸多特点。

本发明提出的地球系统模式的通用模块化并行耦合系统，其特征在于，该系统包括：配置信息子系统、耦合生成子系统、地球系统模式运行时子系统和用户接口子系统；

其中，配置信息子系统由地球系统模式组件配置信息模块、地球系统模式用例配置信息模块和地球系统模式运行时配置信息模块组成；地球系统模式组件配置信息模块用于记录分量模式、耦合器和耦合算法的配置信息；地球系统模式用例配置信息模块用于记录用户所建立的地球系统模式用例的信息；地球系统模式运行时配置信息模块由耦合生成子系统生成，用于记录地球系统模式在运行过程中实现各分量模式之间耦合、集合和区域嵌套的配置信息；

耦合生成子系统用于检测地球系统模式组件配置信息模块和地球系统模式用例配置信息模块中的配置信息的正确性和完整性，并基于这两种配置信息自动生成地球系统模式运行时配置信息模块中的配置信息；在生成运行时配置信息的过程中，耦合生成子系统自动检测出分量模式集合需求和区域嵌套耦合需求，自动实现分量模式间的直接耦合、分量模式集合、区域嵌套耦合、耦合器程序的自动并行剖分、异步并行通信、重启动功能，处理分量模式间耦合频率不同的匹配，实现多个分量模式之间计算负载的平衡；

地球系统模式运行时子系统用于通过加载运行时配置信息后，实现地球系统模式运行时分量模式耦合、集合和区域嵌套；

用户接口子系统面向用户，用于通过图形界面和字符界面实现用户对地球系统模式组件和用例配置信息的输入和显示，以及对地球系统模式运行的控制；

各子系统之间的连接关系为：用户接口子系统的输入端与地球系统模式组件相连，用户接口子系统的输出端通过耦合生成子系统与地球系统模式组件配置信息模块的输入端相连，地球系统模式用例配置信息模块的输入端与地球系统模式组件配置信息模块的输出端相连，还通过耦合生成子系统与用户接口子系统的输出端相连；地球系统模式用例配置信息模块的输出端通过耦合生成子系统与地球系统模式运行时配置信息模块的输入端相连，地球系统模式运行时配置信息模块的输入端与地球系统模式运行时子系统输入端相连；地球系统模式运行时子系统输出端通过用户接口子系统后作为本系统的输入端。

上述地球系统模式用例的信息可包括选择的分量模式、耦合器配置、耦合算法、耦合频率和计算资源需求；其中用户所选择的分量模式、耦合器配置和耦合算法均来自于组件配置信息模块；用例配置信息的选择可以是增量式的，用户不选择的内容通过默认方式配置。

本发明具有以下主要特点：

1、模块化结构：由地球系统模式配置信息子系统、耦合生成子系统、地球系统模式运行时子系统和用户接口子系统组成。配置信息子系统管理分量模式、耦合算法和耦合器等组件的配置信息，地球系统模式用例的配置信息和地球系统模式运行时的配置信息。耦合生成子系统基于组件配置信息和用例配置信息自动生成运行时配置信息，并在生成过程中进行计算性能优化。地球系统模式运行时子系统可自动加载地球系统模式运行时配置信息，形成运行的地球系统模式。

2、用户界面友好：用户可根据自己的喜好，通过图形用户接口或直接编辑配置文件实现分量模式的接入、耦合器的创建、耦合算法的集成和地球系统模式用例的配置。

3、通用性：统一支持全球模式耦合和双向区域嵌套耦合，支持分量模式在线集合，新分量模式通过通用耦合接口集成，新耦合数值算法通过通用算法接口集成；构建地球系统模式的难度小，用户不需修改程序代码，只需选择任意数量的分量模式、相应耦合器和耦合算法就能得到想要的地球系统模式。

4、在可维护性好，接入分量模式、集成耦合算法和创建耦合器的难度小：接入分量模式时，只需要配置分量模式的相关信息，例如分量模式基本信息和耦合物理量信息等，而无须关心分量模式如何实现分量模式的耦合。在集成耦合算法时，只需提供算法的基本信息和输入输出变量信息等。创建耦合器时，并不需要写耦合器相关代码，只需以耦合算法为单位配置主要耦合计算流程，而且不需要关注插值、数据输出、重启动等功能，这些功能都会通过耦合生成子系统和地球系统模式运行时子系统自动实现。

5、属于高效并行软件：既具备耦合器，也同时实现分量模式之间的直接耦合；用例配置信息记录了地球系统模式耦合相关的整体信息，耦合生成子系统可基于整体信息进行计算性能优化，例如实现分量模式间的直接并行通信、选择合适的模式或耦合器进行插值以减小通信开销、通过在分量模式耦合接口中实现插值和通量计算等以达到负载平衡、通过调度算法和通信的顺序实现真正的异步通信等优化；当耦合生成子系统计算性能优化策略丰富和升级时，可以随即提升所有地球系统模式用例的计算性能。

附图说明

图1为已有的基于NCAR耦合器的地球系统模式结构；

图2为已有的基于OASIS的地球系统模式结构；

图3为基于本发明耦合系统C-Coupler的地球系统模式结构；

图4为本发明耦合系统C-Coupler的结构框图。

具体实施方式

本发明提出地球系统模式的通用模块化并行耦合系统C-Coupler。结合附图详细说明如下：

基于本发明的C-Coupler的地球系统模式结构如图3所示，图中，虚线框内为本发明系统，该模式不同于NCAR耦合器和OASIS，C-Coupler既具备耦合器，也实现分量模式间的直接物理量交换(图3虚框中不经过耦合器的曲线表示分量模式间的直接数据交换)。例如在实现大气模式与海洋模式的耦合时，大气模式的状态物理量如气温、经向风速和纬向风速等不经耦合器直接传给海洋模式，而大气模式的通量物理量如降水和辐射等则通过耦合器实现耦合，耦合器在收到大气的通量物理量后调用海气通量算法，然后把所得的物理量发送给海洋。C-Coupler具有虚拟化特点，在接入新分量模式时，用户仅需考虑分量模式与耦合器之间的连接，既不用实现分量模式间的直接耦合，也不用考虑其他分量模式的信息例如耦合频率和网格等，而分量模式间的耦合物理量计算流程由耦合器配置文件管理。在用户完成对地球系统模式用例的配置后，分量模式之间的直接耦合由耦合生成子系统自动生成的，从而减少用户实现分量模式耦合的工作量并降低难度。例如，在接入大气模式时，只需提供大气模式的输入/输出数据信息和耦合频率，实现大气模式与耦合器的虚拟连接。在生成地球系统模式时，耦合生成子系统会检测到大气模式的有些数据例如温度可以直接发给海洋模式、陆地模式和海冰模式而不经过耦合器。当分量模式之间的网格不同时，耦合生成子系统还会自动实现物理量在不同网格之间的插值。

本发明的C-Coupler的具体结构如图4所示，该系统包括：配置信息子系统、耦合生成子系统、地球系统模式运行时子系统和用户接口子系统；

其中，配置信息子系统由三个模块组成：地球系统模式组件配置信息模块、地球系统模式用例配置信息模块和地球系统模式运行时配置信息模块；地球系统模式组件配置信息模块用于记录分量模式、耦合器和耦合算法的配置信息(这些配置信息由用户在接入分量模式、提供耦合算法和建立耦合器时注册到地球系统模式组件配置信息模块)；地球系统模式用例配置信息模块用于记录用户所建立的地球系统模式用例的信息，地球系统模式用例的信息具体包括选择的分量模式、耦合器配置、耦合算法、耦合频率和计算资源需求等(其中用户所选择的分量模式、耦合器配置和耦合算法均来自于组件配置信息模块，用例配置信息的选择可以是增量式的，用户不选择的内容通过默认方式配置)；

地球系统模式运行时配置信息模块由耦合生成子系统生成，其记录地球系统模式在运行过程中实现各分量模式之间耦合、集合和区域嵌套的配置信息；

耦合生成子系统用于检测地球系统模式组件配置信息模块和地球系统模式用例配置信息模块中的配置信息的正确性和完整性，并基于这两种配置信息自动生成地球系统模式运行时配置信息模块中的配置信息；在生成运行时配置信息的过程中，耦合生成子系统自动检测出分量模式集合需求和区域嵌套耦合需求，自动实现分量模式间的直接耦合、分量模式集合、区域嵌套耦合、耦合器程序的自动并行剖分、异步并行通信、重启动等功能，处理分量模式间耦合频率不同的匹配，实现多个分量模式之间计算负载的平衡；

地球系统模式运行时子系统用于通过加载运行时配置信息后，实现地球系统模式运行时分量模式耦合、集合和区域嵌套(各个分量模式有独立的运行时配置信息，但他们共用地球系统模式运行时子系统；

用户接口子系统面向用户，用于通过图形界面和字符界面实现用户对地球系统模式组件和用例配置信息的输入和显示，以及对地球系统模式运行的控制。

各子系统之间的连接关系如下：用户接口子系统的输入端与地球系统模式组件(包括分量模式、耦合器和耦合算法)相连，用户接口子系统的输出端通过耦合生成子系统与地球系统模式组件配置信息模块的输入端相连，地球系统模式用例配置信息模块的输入端与地球系统模式组件配置信息模块的输出端相连，还通过耦合生成子系统与用户接口子系统的输出端相连；地球系统模式用例配置信息模块的输出端通过耦合生成子系统与地球系统模式运行时配置信息模块的输入端相连，地球系统模式运行时配置信息模块的输入端与地球系统模式运行时子系统输入端相连；地球系统模式运行时子系统输出端通过用户接口子系统后作为本系统的输入端。

本发明系统的工作过程为：

1、在接入地球系统模式组件(包括分量模式、耦合器和耦合算法)时，用户通过用户接口子系统输入地球系统模式组件的配置信息，耦合生成子系统在完成配置信息的正确性检查后，把配置信息存放在地球系统模式组件配置信息模块中。

2、在配置地球系统模式用例时，用户通过用户接口子系统，基于地球系统模式组件配置信息模块中的配置信息，输入地球系统模式用例的配置信息，耦合生成子系统在完成配置信息的正确性检查后，把配置信息存放在地球系统模式用例配置信息模块中。

3、在完成地球系统模式用例配置信息后，耦合生成子系统根据地球系统模式组件配置信息和地球系统模式用例配置信息自动生成地球系统模式运行时配置信息并记录与地球系统模式运行时配置信息模块中。

4、运行地球系统模式时，地球系统模式运行时配置信息被地球系统模式运行时子系统自动加载。

用户在使用本发明C-Coupler构建其所需要地球系统模式时的工作流程如下：

1、将所需的多个分量模式(如大气模式、陆地模式、海洋模式和海冰模式)接入到本系统中。在接入一个分量模式时，首先通过用户接口子系统提供分量模式的基本信息，包括分量模式名、网格信息、输入参数信息、代码和编译配置等；再通过用户接口子系统提供耦合相关信息，包括耦合时输入与输出的各个物理量信息；最后在分量模式代码中嵌入C-Coupler的耦合接口代码(当用户需要增加或修改分量模式耦合变量信息时，仅需修改相应配置文件而无需修改代码)；

2、接入耦合算法。在接入一个耦合算法时，用户首先提供算法的基本信息，包括算法名、所有输入变量和输出变量的信息、以及算法描述信息，然后提供算法的接口信息和算法代码。对于同一种算法，C-Coupler采用通用算法接口以集成它们，以供用户在生成地球系统模式用例时选择。

3、建立耦合器配置。在C-Coupler中，耦合器表现为配置文件形式，其以耦合算法名为单位记录了耦合计算流程。

4、建立地球系统模式用例。用户使用已记录在组件配置信息模块中的多个分量模式和相应耦合器建立地球系统模式用例。在建立用例过程中，耦合生成子系统会检测分量模式与耦合器是否匹配，也会检测是否存在分量模式集合需求和区域嵌套耦合需求。当存在多个同一种分量模式参与耦合时，例如有多个大气模式参与耦合，耦合生成子系统会通过交互式方式请用户确认分量模式集合和区域嵌套耦合的需求与方法。在分析耦合流程过程中，耦合生成子系统会检测插值需求，当发现需要插值的物理量时，用户可指定插值算法，也可选用默认插值算法。此外，用户还可以设定耦合频率、计算资源需求等信息、分量模式运行的输入参数等。

5、生成地球系统模式运行时配置信息。此阶段由耦合生成子系统自动完成，无需用户参与和修改代码。耦合生成子系统通过分析耦合计算流程，实现分量模式间的直接耦合和经过耦合器的耦合。当发现不用经过通量计算的耦合计算流程时，耦合生成子系统采用分量模式直接耦合的方式实现；反之，采用经过耦合器耦合的方式实现。例如对于大气发给海洋的状态量如温度和风速，可以采用直接耦合方式实现，而对于需要经过海气通量计算的通量如降水和辐射等，则采用经过耦合器耦合的方式实现。当存在分量模式需要集合或区域嵌套耦合时，耦合生成子系统根据用户需求，结合相应耦合算法，实现相应的分量模式耦合连接和耦合计算流程。耦合生成子系统还实现计算性能的优化，具体包括耦合器计算负载的并行化、异步通信的实现等。对于用户耦合频率和耦合延迟的选择，耦合生成子系统也将自动处理。耦合生成子系统最终生成地球系统模式运行时配置信息。

6、运行地球系统模式。在第5步结束后，用户只要提交执行命令，地球系统模式运行时子系统就自动加载运行时配置信息，实现地球系统模式的运行。

Claims (2)

1.一种地球系统模式的通用模块化并行耦合系统，其特征在于，该系统包括：配置信息子系统、耦合生成子系统、地球系统模式运行时子系统和用户接口子系统；

其中，配置信息子系统由地球系统模式组件配置信息模块、地球系统模式用例配置信息模块和地球系统模式运行时配置信息模块组成；地球系统模式组件配置信息模块用于记录分量模式、耦合器和耦合算法的配置信息；地球系统模式用例配置信息模块用于记录用户所建立的地球系统模式用例的信息；地球系统模式运行时配置信息模块由耦合生成子系统生成，用于记录地球系统模式在运行过程中实现各分量模式之间耦合、集合和区域嵌套的配置信息；

耦合生成子系统用于检测地球系统模式组件配置信息模块和地球系统模式用例配置信息模块中的配置信息的正确性和完整性，并基于这两种配置信息自动生成地球系统模式运行时配置信息模块中的配置信息；在生成运行时配置信息的过程中，耦合生成子系统自动检测出分量模式集合需求和区域嵌套耦合需求，自动实现分量模式间的直接耦合、分量模式集合、区域嵌套耦合、耦合器程序的自动并行剖分、异步并行通信、重启动功能，处理分量模式间耦合频率不同的匹配，实现多个分量模式之间计算负载的平衡；

地球系统模式运行时子系统用于通过加载运行时配置信息后，实现地球系统模式运行时分量模式耦合、集合和区域嵌套；

用户接口子系统面向用户，用于通过图形界面和字符界面实现用户对地球系统模式组件和用例配置信息的输入和显示，以及对地球系统模式运行的控制；

其中：用户接口子系统的输入端与地球系统模式组件相连，用户接口子系统的输出端通过耦合生成子系统与地球系统模式组件配置信息模块的输入端相连，地球系统模式用例配置信息模块的输入端与地球系统模式组件配置信息模块的输出端相连，还通过耦合生成子系统与用户接口子系统的输出端相连；地球系统模式用例配置信息模块的输出端通过耦合生成子系统与地球系统模式运行时配置信息模块的输入端相连，地球系统模式运行时配置信息模块的输入端与地球系统模式运行时子系统输入端相连；地球系统模式运行时子系统输出端通过用户接口子系统后作为本系统的输入端。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地球系统模式用例的信息包括选择的分量模式、耦合器配置、耦合算法、耦合频率和计算资源需求；其中用户所选择的分量模式、耦合器配置和耦合算法均来自于组件配置信息模块；用例配置信息的选择是增量式的，用户不选择的内容通过默认方式配置。

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