基于校园网格的海洋数值模式研究

陈玉清，陈 林

（1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098 2.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098）

数值模拟技术是利用电子计算机来进行数值计算和图像显示，从而完成对工程和科学计算问题的研究，它相对于实验技术来说在一定的研究范围内具有明显的优势。在自然界有许多科学问题无法得到精确解，但可以通过数值模拟技术，得到相应问题的近似解。它已经成为许多工程与科学研究领域的重要分析手段，比如海洋运动规律研究。在海洋科学研究中，海浪、潮汐和海流等的运动方程是基于地球流体力学方程的，属于偏微分方程形式，一般是无法得到其精确解的[1]。而数值模拟计算技术可以实现对物理海洋学以及相关交叉学科的环境要素进行数值模拟，以及进行数值预报。目前比较成熟的海洋数值模式主要有POP、POM、FVCOM、HYCOM、HAMSOM 等[2]。

随着人们对海洋求解问题领域的不断拓展，所遇到的问题也越来越复杂，而且规模也越来越大，解决这些问题所需要的计算能力也在大幅度提高，需要的计算量较大，如果由单个计算机在规定的时间内是无法完成相应计算的。而随着网格和高性能计算技术[3]的发展，可以将网络上的各种计算资源通过技术手段整合在一起，实现资源共享、协同工作，形成较为可靠和高效能的计算能力。这种技术的通用性和可扩充性比较好，便于维护。而校园网格是网格技术的一种典型应用，它将校园内的计算资源实现共享，可以为需要大量计算的海洋运行研究等问题提供技术支撑。而河海校园网格平台安装了许多典型的海洋数值模式，为海洋科学研究工作者提供了良好的计算环境。

1 河海校园网格的特点及其架构

河海校园网格继承了网格技术的通用性和可扩展性，并且具有一定的先进性和较长的生命周期。它有以下特点：

1）采用基于国际开放标准（WSRF[4]，OGSA[5]）的网格主流技术，为实现与国内和国际相关科学数据网格互通互用打基础。同时具有良好的可扩展性，平台可以随时进行资源扩充，从而满足不断增长的计算需求。

2）统一任务调度方式，所有用户提交的计算任务，由平台进行统一任务分配，以作业的形式提交给计算资源，不需要用户进行干预，这样可以灵活的使用各资源环境，提高利用率。用户提交方式可以采用Web、远程Shell或者远程图形用户界面。

3）采用预构件形式集成应用。河海校园网格使用“应用模版库”来实现“预构件”，将一些通用的算法和应用程序，如典型的海洋数值模式，封装成模板库的形式提供给科研人员使用，减少重复性劳动。

河海校园网格采用了3层结构：资源层、网格服务层和客户端服务层。资源层提供基本的硬件支持，有大型机、存储设备和机群系统等各。网格服务层主要是对各种不同的分布式计算资源进行调度和管理，收集信息等。客户端服务层是服务于最终用户，比如身份验证、任务提交和任务监控等服务。河海校园网格提供了用户以Web方式进行任务提交以及远程Shell提交作业的方式。平台的主要任务尽量做到资源的负载平衡，提高资源的利用率。每个层次由相应的网格中间件实施网格的各项功能。如图1所示。

图1 河海校园网格结构图Fig.1 Structure diagram of the hohai campus grid

2 河海校园网格任务运行方式

河海校园网格平台使用如下3种方式来提交任务：

1）Web方式服务：用户可通过Web界面使用系统的计算能力和信息资源，Web站点地址：http://grid.hhu.edu.cn。

2）Shell方式服务：通过远程Shell方式用户可以直接登陆到网格计算资源进行操作，这种方式能满足用户的更多需求。

3）远程图形终端服务：使用户更加直观的使用平台，实现了资源最大限度的共享。

3 基于校园网格的海洋数值模式计算

3.1 POP模式的并行计算

POP（Parallel Ocean Program）[6]海洋数值预报模式是在美国能源部资助下，由美国Los Alamos国家实验室开发。该模式推动了大尺度气候预测科学的发展。POP模式的并行采用了OpenMP和MPI技术，它是大部分气候模拟器的标准模块。河海校园网格也成功部署了POP的并行程序，并利用它的标准算例进行了测试和对比，结果如表1所示。

3.2 FVCOM模式的并行计算

FVCOM （The Unstructured Grid Finite Volume CoastalOcean Model）是2000年由美国佐治亚大学海洋学院海洋生态动力学实验室和美国麻省大学海洋科学和技术学院海洋生态模型实验室人员开发的海洋环流与生态模型。它采用了有限体积的数值方法，在水平方向上采用无结构化非重叠的三角形网格，在垂直方向采用坐标变换，基于自由表面的三维原始控制方程。该模式在近岸高分辨率以及小尺度计算问题上得到了广泛应用。在河海校园网格上对该模式并行版进行了测试和对比，结果如表2所示。

表1 POP模式的并行计算时间和加速比Tab.1 Parallel computing time and speedup of POP model

表2 FVCOM模式的并行计算时间和加速比Tab.2 Parallel computing time and speedup of FVCOM model

3.3 HYCOM模式的并行计算

HYCOM （Hyrid Coordinate Ocean Model）[8-10]是在美国迈阿密大学的等密度面坐标海洋模式基础上发展起来的，研究的是全球海洋环流模式，采用了等密度面坐标和垂向混合坐标，这样可以做到两者优势互补。该模式在层化效应显著的开扩大洋研究方面得到较快的发展。河海校园网格安装了该模式的并行版，并做了相应的测试和对比，结果如表3所示。

表3 HYCOM模式的并行计算时间和加速比Tab.3 Parallel computing time and speedup of HYCOM model

4 结束语

河海校园网格平台整合了校内的高性能计算的硬件、软件资源，实现了资源共享目标，不仅能提高资源使用效益，节省有关开支，而且大大提高了科学与工程的计算能力，推动了科学创新研究。该平台为用户提供了较为方便的使用环境，通过简单的三种方式来进行作业任务提交。通过校园网格平台先进的计算力为大规模的海洋数值计算提供强有力的支撑，促进了河海大学海洋学科的发展。

[1]林万涛，董文杰.计算地球流体力学的回顾、进展及展望[J].地球科学进展，2004（4）：599-604.LIN Wan-tao，DONG Wen-jie.Review， progress and prospects of the computational geophysical fluid dynamics[J].Advances in Earth Sciences，2004（4）:599-604.

[2]郑沛楠，宋军，张芳苒，等.常用海洋数值模式简介[J].海洋预报，2008（4）：108-120.ZHENG Pei-nan，SONG Jun，ZHANG Fang-ran，et al.The introduction of the ocean general circulation model[J].Marine Forecasts，2008（4）:108-120.

[3]徐志伟，冯百明，李伟.网格计算技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4]Czajkowski K，Ferguson D F，Foster I，et al.The WSResource framework [EB/OL][2012-12-25].http://www.globus.org/wsrf/.

[5]Nick I J，Tuecke S.The physiology of the grid:anopen grid services architecture for distributed systems integration，Open GridService Infrastructure WG，Global Grid F[R/OL]， 2002.

[6]张理论，赵军，吴建平，等.POP海洋模式在四核至强集群上的并行计算[J].计算机工程与应用，2009（5）：189-192.ZHANG Li-lun，ZHAO Jun，WU Jian-ping，et al.The parallel computing of pop model on 4 cores XEON cluster[J].Computer Engineering and Applications，2009（5）:189-192.

[7]CHEN Chang-sheng，Beardsley R C，Cowles G.Fvcom user manual[EB/OL][2012-12-12].http://woodshole.er.usgs.gov/staffpages/rsignell/rps/share/FVCOM_Manual.pdf.

[8]Wallcraft A.Hybrid coordinate ocean model （hycom）user’s guide[EB/OL][2012-12-20].http://hycom.org/attachments/063_hycom_users_guide.pdf.

[9]Black R，Halliwell G，Wallcraft，et al.Hybrid coordinate ocean model， user’s manual[EB/OL][2012-12-21].http://oos.soest.hawaii.edu/pacioos/outreach/documents/063_hycom_users_manual.phttp://oos.soest.hawaii.edu/pacioos/outreach/documents/063_hycom_users_manual.pdf.

[10]孙文心，江文胜，李磊.近海环境流体动力学数值模型[M].北京：科学出版社，2004.