68、危险对流现象数值建模与大规模系统高效降阶研究

危险对流现象数值建模与大规模系统高效降阶研究

危险对流现象数值建模

在大气研究中，有一个模型可对垂直速度、水凝物混合比以及水凝物谱在时间和空间上的演变进行重现。它能够预测上述动力学和微物理特征的最大值与最小值，还能给出云底高度、云顶高度、降水率以及降雨、降雪和冰雹的总量。这些特征对于预测雷暴、冰雹和暴雨等危险对流云现象具有重要价值。

机场和当地气象中心进行实时预报时，需要能够近乎即时模拟危险事件演变的模型。即便我们的模型维度较低，但在微物理描述上足够复杂，也需要进行修改以满足这一需求。小型当地气象中心和机场往往没有高性能计算设备，需要能在普通桌面计算机上快速计算的有效软件。如今，使用普通桌面计算机意味着使用多核桌面计算机，因此我们尝试利用多线程技术将模型映射到多核桌面计算机上进行并行化处理。

并行化方法

模型中动力学模块和微物理模块在整体计算时间上的贡献差异显著。1.5 - D 模型中的动力学模块相对简单，在云的生命周期内获取速度、温度和水凝物混合比的演变特征大约仅需 20 秒的计算机时间。

然而，微物理特征的计算要耗时得多。它取决于每个空间网格节点中水凝物质量区间（或箱）的数量以及水凝物类型的数量（分布函数的数量）。若空间网格由 N 个节点组成，箱的数量为 N1，分布函数的数量为 N2，那么计算一个动力学时间步所需的操作数为 (O(N \cdot N1 \cdot N2))，而微物理时间步的相同值为 (O(N^2 \cdot N1 \cdot N2))。所以，微物理计算所需的时间是动力学计算的 (k \cdot N1 \cdot N2) 倍（k 为某个常数）。考虑到 N1 大于或等于 100，N2 等于 7，我们可以看到在微物理计算中