![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Тема выполняется в рамках мероприятия «Усовершенствование глобальной модели Земной системы мирового уровня для исследовательских целей и сценарного прогнозирования климатических изменений». Целью работы является исследование процессов в пограничных слоях (атмосферы, океана и вод суши) и разработка их параметризаций для моделей Земной системы.
The research is carried out within the "Improvement of the global Earth system world-class model for research purposes and scenario projections of climate change" project and includes the following tasks: development of boundary layer models of the atmosphere, ocean and land water bodies, their numerical and software implementation on high-performance computing systems; development of software interfaces for the implementation in Earth system models; improvement of subgrid dynamics parametrizations in climate models for accurate reproduction of exchange processes in the boundary layers.
2023 год Будет разработана архитектура блоков пограничного слоя для моделей Земной системы. Планируются следующие результаты: 1. Формализация общих принципов, правил, регламентов и процедур разработки МЗС в приложении к моделям пограничного слоя атмосферы и океана. 2. Модульная структура моделей пограничного слоя, технические требования к интерфейсам для их сопряжения с моделями динамики атмосферы, океана, деятельного слоя суши и морского льда. 3. Система тестирования модели приземного слоя, включающая базу данных прямого и вихреразрешающего моделирования, данные лабораторных и натурных измерений. 4. Система поддержки и контроля версий для блока приземного слоя. 5. Технические требования к интерфейсам блока приземного слоя для сопряжения с компонентами моделей Земной системы. 6. Система тестирования модели пограничного слоя атмосферы, включающая базу данных прямого и вихреразрешающего моделирования, данные лабораторных и натурных измерений. 7. Система поддержки и контроля версий для модели пограничного слоя атмосферы.
Коллектив научной группы участвовал в разработке модели Земной системы ИВМ РАН (Володин и др., 2016). Имеет опыт работы с мезомасштабными моделями атмосферы (Varentsov et al., 2018); разработки и внедрения параметризаций для моделей прогноза погоды и климата (Chechin and Lupkes, 2017; Debolskiy et al., 2023); изучения процессов турбулентного обмена в пограничных слоях атмосферы, океана и внутренних водоемов суши, в том числе с помощью методов прямого и вихреразрешающего моделирования течений (Zasko et al., 2019; Zasko et al., 2022); программной реализации численных моделей для современных суперкомпьютерных систем, в частности, гибридной архитектуры (Mortikov and Debolskiy, 2021; Боресков и др., 2012). Научные исследования коллектива регулярно представляются на крупных международных конференциях по тематике работ: Европейского геофизического сообщества (EGU), Европейского метеорологического сообщества (EMS), Американского физического сообщества (APS). Коллектив имеет опыт участия в международных проектах, в том числе в рамках соглашения с МинОбрНауки № 075-15-2021-1399 по проекту «Мегаполис как остров загрязнения и тепла: междисцплинарный гидроклиматический, геохимический и экологический анализ (Megapolis - heat and pollution island: interdisciplinary hydroclimatic, geochemical and ecological analysis)» Коллектив имеет доступ к вычислительным ресурсам Суперкомпьютерного центра МГУ и Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.
Институт вычислительной математики им. Г.И.Марчука РАН | Координатор |
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | Сроки | Название |
1 | 1 июня 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Разработка архитектуры блоков пограничного слоя атмосферы и океана для моделей Земной системы |
Результаты этапа: Разработана новая программная архитектура для моделей пограничного слоя атмосферы и океана, блока приземного слоя. Одним из основных требований является использование принципа модульности. Данный принцип предполагает декомпозицию программного кода МЗС на некоторую иерархию в общем случае связанных между собой модулей, сокрытия внутренней реализации в рамках таких компонент МЗС и формализации интерфейсов, описывающих единую схему взаимодействия между различными компонентами. Модели пограничного слоя атмосферы и океана, блока приземного слоя выделяются в отдельные модули, для которых описана внутренняя структура, а взаимодействие их с другими компонентами МЗС реализуются с помощью описания промежуточных интерфейсов. Такой подход позволяет разделить две задачи: разработку отдельной компоненты (модели) с фиксированными, наиболее подходящими для алгоритмов и структуры модуля, интерфейсами и разработку дополнительного модуля, связывающего их с МЗС или внешней оболочкой для запуска в автономном режиме. В архитектуре разделяются высокоуровневые компоненты от низкоуровневой реализации, для которых программный код должен допускать специализацию под конкретную вычислительную систему, в том числе гибридной архитектуры. Разделение позволит рассматривать задачи об адаптации и оптимизации программного кода для современных и перспективных суперкомпьютеров. Предложенная модульная архитектура обеспечивает возможность независимой разработки, отладки, тестирования и настройки отдельных компонент МЗС. Разработка современных программных реализаций моделей Земной системы и ее компонент практически невозможна без наличия системы тестирования. В рамках проекта для разрабатываемых независимых модулей внедрена система контроля версий на собственном сервере GitLab, апробирована возможность ``легковесного'' тестирования в рамках CI/CD подхода. Разработаны требования к системе компиляции/сборки/компоновки независимых модулей, упрощающие отслеживание зависимостей, процесс сборки и оптимизацию кода под конкретные системы. Сформулированы общие принципы разработки, правила оформления кода и программной реализации на языках Fortran, C/C++ (а также для межъязыковых интерфейсов и использования технологии CUDA для поддержки возможности расчетов на графических ускорителях) для моделей пограничного слоя атмосферы и океана, блока приземного слоя, их промежуточных интерфейсов. Разработанные правила должны способствовать улучшению читаемости, повышению надежности и поддерживаемости программного кода, упрощению создания и поддержки актуальной документации, сокращению трудозатрат на добавление нового функционала. Также сформулированы требования к конфигурационным файлам и функционалу модулей ввода/вывода данных, организации контрольных точек вектора состояния модуля. Создан автономный блок приземного слоя МЗС, поддерживающий модульную архитектуру и возможность сопряжения с компонентами МЗС. Новая архитектура блока разрабатывалась на основе следующих требований к программному коду -- гибкость и масштабируемость, для последующего уточнения отдельных параметризаций и их интерфейсов. Архитектура программного блока приземного слоя предполагает выбор реализации -- на основе языка Fortran/C++ или на основе процессора, используемого для вычислений: CPU/GPU. Вариативность заложена в выборе параметров блока приземного слоя: типа поверхности, функций устойчивости, источника входных данных (при автономном запуске). Создана система тестирования блока приземного слоя, которая позволяет оценить качество воспроизведения процессов как в приземном слое в целом, так и применимость отдельных параметризаций. Создана база данных входных параметров для запуска программного комплекса и опорных значений турбулентных потоков, проведены серии тестовых расчетов. Определены дальнейшие векторы развития блока приземного слоя. Проведена идентификация процедур, интерфейсов и структур данных, отвечающих за параметризации пограничного слоя атмосферы в коде МЗС ИВМ РАН, выполнен их рефакторинг. Данные компоненты МЗС ИВМ РАН и процедуры их инициализации выделены в независимый модуль модели АПС. Корректность работы выделенного независимого блока АПС протестирована на наборе идеализированных численных экспериментов в рамках разрабатываемой системы тестирования. Представлена новая архитектура модуля пограничного слоя атмосферы, согласованная с требованиями, предложенными в рамках настоящего проекта. Разработана система тестирования блока пограничного слоя атмосферы как для независимой версии (``оффлайн''), так и для версии в составе МЗС (``онлайн''). Для ``оффлайн'' версии выбран обширный набор тестовых сценариев, который включает в себя типичные режимы АПС в широкой области параметров: от сильно устойчивой до сильно неустойчивой стратификации, от безоблачных сценариев до конвекции и слоисто-кучевой облачности как с жидкой фазой гидрометеоров, так и с твердой фазой, от квази-стационарных режимов до резких переходов в рамках суточного хода или при адвекции над кромкой льда, от однородных по горизонтали до неоднородных поверхностей, включая городские ландшафты, неоднородный ландшафт болот и морской лед с разводьями. Для большинства указанных режимов имеются и детальные данные специализированных наблюдений, и результаты вихреразрешающего моделирования, которые будут использованы для верификации используемых в блоке АПС параметризаций. Для ``онлайн'' версии разработанная система тестирования подразумевает: а) сравнение результатов расчетов климатической модели со старым набором параметризаций с результатами расчетов после внесения модификаций, б) сравнение результатов расчетов с данными реанализа, а также длинными рядами аэрологических наблюдений, измерений на стационарных мачтах или полученными во время специализированных многолетних кампаний. На основе анализа текущей версии блока АПС и входящих в нее параметризаций выделены основные направления развития блока. Верификация и отработка намеченных модификаций будет осуществляться сначала в рамках независимой версии, а затем в составе МЗС. Проведен анализ программной реализации описания вертикального перемешивания в модели океана МЗС ИВМ РАН. Определены основные направления дальнейшего развития блока пограничного слоя океана: предложен к реализации набор дополнительных турбулентных замыканий и параметризаций. Предлагается реализовать замыкания двух типов, различающиеся детальностью описания и вычислительной сложностью и предназначенные для применения в задачах исследования океанических процессов различных масштабов. Выделены планируемые к внедрению параметризации, важные для корректного описания перемешивания в океане. К таковым относятся: параметризации перемешивания за счет обрушающихся и необрушающихся волн, ленгмюровских циркуляций, придонного трения и конвекции в присутствии льда. Сформирована новая архитектура и требования к интерфейсам блока пограничного слоя океана, необходимые для развития данной компоненты МЗС. По результатам работы были опубликованы или приняты к печати 3 статьи WoS/Scopus и 1 статья в сборнике конференций (Scopus). Результаты текущего этапа работы также были представлены: на международной конференции/школе молодых ученых по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде CITES-2023 (г. Москва), на конференции ``Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах'' (г. Москва) и на XIII всероссийском сипозиуме ``ФИЗИКА ГЕОСФЕР'' (г. Владивосток). |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|---|---|---|---|---|
1. | Полная версия отчета | FNTP_report_2023.pdf | 37,7 МБ | 27 декабря 2023 [takeit8ezi] |