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Evaluation of Cloud Vertical Structure Simulated by Recent bcc_agcm Versions through Comparison With CALIPSO-GOCCP Data

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Advances in Atmospheric Sciences 2014年第3期31卷 721-733页

作者： WANG Fang XIN Xiaoge WANG Zaizhi CHENG Yanjie ZHANG Jie YANG Song National Climate Center China Meteorological Administration Sun Yat-sen University

ABSTRACT The abilities of bcc-agcm2.1 and bcc_agcm2.2 to simulate the annual-mean cloud vertical structure （CVS） were evaluated through comparison with GCM-Oriented CALIPSO Cloud Product （CALIPSO-GOCCP） data. bcc-agcm2.2 has a dynamical core and physical processes that are consistent with bcc-agcm2.1, but has a higher horizontal resolution. Results showed that both bcc-agcm versions underestimated the global-mean total cloud cover （TCC）, middle cloud cover （MCC） and low cloud cover （LCC）, and that bcc_agcm2.2 underestimated the global-mean high cloud cover （HCC）. The global-mean cloud cover shows a systematic decrease from bccA-GCM2.1 to bcc_agcm2.2, especially for HCC. Geographically, HCC is significantly overestimated in the tropics, particularly by bcc_agcm2,1, while LCC is generally overestimated over extra-tropical lands, but significantly underestimated over most of the oceans, especially for subtropical marine stratocumulus clouds. The leading EOF modes of CVS were extracted. The bcc_agcms perform well in reproducing EOF1, but with a larger variance explained. The two models also capture the basic features of EOF3, except an obvious deficiency in eigen- vector peaks. EOF2 has the largest simulation biases in both position and strength of eigenvector peaks. Furthermore, we investigated the effects of CVS on relative shortwave and longwave cloud radiative forcing （RSCRF and RLCRF）. Both bcc_agcm versions successfully reproduce the sign of regression coefficients, except for RLCRF in PC1. However, the RSCRF relative contributions from PC1 and PC2 are overestimated, while the relative contribution from PC3 is underes timated in both bcc_agcm versions. The RLCRF relative contribution is underestimated for PC2 and overestimated for PC3.

关键词： cloud vertical structure bcc_agcm relative cloud radiative forcing

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两个大气环流模式SAMIL和bcc_agcm对北半球冬季极涡振荡的模拟对比

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大气科学 2012年第6期36卷 1191-1206页

作者：刘玉镇任荣彩何编中国海洋大学海洋环境学院青岛266100 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 南京信息工程大学南京210044

基于与NCEP再分析资料的比较,本文利用大气环流模式SAMIL和北京气候中心大气环流模式bcc_agcm的1950～1999年的AMIP试验模拟数据,对北半球冬季环流及平流层极涡振荡的模拟性能进行了评估分析。结果表明两个模式都可以再现北半球环流基... 详细信息

基于与NCEP再分析资料的比较,本文利用大气环流模式SAMIL和北京气候中心大气环流模式bcc_agcm的1950～1999年的AMIP试验模拟数据,对北半球冬季环流及平流层极涡振荡的模拟性能进行了评估分析。结果表明两个模式都可以再现北半球环流基本型以及环流振荡的主导模态。对冬季气候平均态的模拟,两个模式模拟的热带—热带外温度梯度均偏大,极夜急流偏强,极涡偏冷偏强;100～20hPa平均位势高度场谐波分析表明两个模式模拟的行星波偏弱;气候平均的10hPa极夜急流均存在1个月的季节漂移,200hPa副热带西风急流较NCEP偏弱。两个模式模拟的环流变化的主导模态均代表极涡振荡,SAMIL极涡振荡的强度大于bcc_agcm,bcc_agcm极涡振荡的频率要高于SAMIL。连续功率谱分析表明,NCEP资料中极涡振荡存在4.6个月的显著周期,相应地,SAMIL中为5.5个月的显著周期,bcc_agcm中为4.8个月。NCEP资料中的极涡振荡主要发生在12～3月,SAMIL模拟的极涡振荡主要发生在2～3月,bcc_agcm模拟的极涡振荡主要发生在2～4月。

关键词： SAMIL bcc_agcm 平流层极涡振荡

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bcc_agcm大气环流模式异构众核加速技术

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气象科技 2018年第2期46卷 245-249,417页

作者：肖洒魏敏国家气象信息中心北京100081 清华大学地球系统科学系北京100084

针对未来高性能计算在CPU混合架构上的发展趋势,本文对大气环流模式bcc_agcm中的部分核心段在混合架构的神威·太湖之光高性能计算机系统上进行众核加速分析与优化。文中以核心段quad为例,通过对代码内容结构重写和使用OpenACC语言对程... 详细信息

针对未来高性能计算在CPU混合架构上的发展趋势,本文对大气环流模式bcc_agcm中的部分核心段在混合架构的神威·太湖之光高性能计算机系统上进行众核加速分析与优化。文中以核心段quad为例,通过对代码内容结构重写和使用OpenACC语言对程序进行运行指示的方式,将该核心段成功移植加速并通过了结果正确性验证。结果表明,使用OpenACC语言能够以对源代码的较小改动来获得一定的加速比,在异构环境中源代码优化加速提升的效果取决于程序结构、循环并行颗粒度以及地址连续性。

关键词：混合架构神威·太湖之光 bcc_agcm OpenACC

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基于GPU-OpenACC的气候模式加速优化研究

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气象 2019年第7期45卷 1001-1008页

作者：肖洒魏敏邓帅徐达张晨琛国家气象信息中心北京100081 吉林省气候中心长春130062

为使数值模式适应异构架构在高性能计算领域的快速发展趋势,本文基于OpenACC语言,对气候模式bcc_agcm3.0中动力框架三段程序段进行GPU加速优化试验。通过异步执行设置、循环内移、数据管理及向量参数化配置等方式,对模式中计算密集部分... 详细信息

为使数值模式适应异构架构在高性能计算领域的快速发展趋势,本文基于OpenACC语言,对气候模式bcc_agcm3.0中动力框架三段程序段进行GPU加速优化试验。通过异步执行设置、循环内移、数据管理及向量参数化配置等方式,对模式中计算密集部分程序段进行GPU加速并行化,并进行了优化运行效率对比及正确性验证。试验结果表明,bcc_agcm3.0模式中三段程序段GPU加速后效率提升均在3倍以上,bcc_agcm气候模式全球涡度均方根相对误差控制在一定范围之内。加速方法及策略对于数值天气气候模式在异构环境下的移植与优化具有一定参考价值。

关键词： bcc_agcm GPU OpenACC 异构

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延伸期预报中大气初值与海温边值的相对作用

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气象学报 2017年第1期75卷 111-122页

作者：汪栩加郑志海封国林顾伯辉赵玉衡兰州大学大气科学学院兰州730000 国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室北京100081 珠海区域气候-环境-生态预测预警协同创新中心珠海519087

初始条件记忆和下垫面条件是延伸期可预报性的主要来源,它们在不同时段、不同区域的相对作用存在明显不同。利用中国国家气候中心最新一代大气环流模式bcc_agcm,设计了由4组不同大气初值与海温边值构成的组合试验,研究了(大气)初值与(海... 详细信息

初始条件记忆和下垫面条件是延伸期可预报性的主要来源,它们在不同时段、不同区域的相对作用存在明显不同。利用中国国家气候中心最新一代大气环流模式bcc_agcm,设计了由4组不同大气初值与海温边值构成的组合试验,研究了(大气)初值与(海温)边值对全球不同区域延伸期预报的相对作用。结果显示,模式预测技巧在3周以内强烈依赖于初值。在相同的边值条件强迫下,不同初值在月内尺度上的预测技巧差异非常明显,且在更长的时间尺度上,初值仍然能够提供一定的预测信息。从全球来看,边值强迫对预测技巧的影响从一周左右开始。在低层的850 hPa高度场上,边值的作用在热带地区于第4—5候与初值相当,其他区域的边值影响达到与初值相当的时间滞后于热带地区;在北半球500 hPa高度场上,边值的作用在热带地区第5候前后达到与初值作用相当,其他区域这个时间则推迟至第6候前后,比对低层的影响时间滞后1—2候;对于东亚地区而言,边值的贡献在第2候就已显现,对预测技巧产生了明显的改进。在延伸期尺度上,边值强迫主要作用的区域为低纬度区域,且对500 hPa高度场的影响更为稳定,在该区域第5候以后有较为明显的改进。初值与边值对延伸期预报都具有相当重要的作用,认识初、边值条件的相对作用能够为延伸期预报的改进奠定基础。

关键词：延伸期预报初值边值 bcc_agcm

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基于计算与通信重叠的全球谱模式并行算法优化研究

基于计算与通信重叠的全球谱模式并行算法优化研究

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作者：刘达政国防科技大学

学位级别：硕士

本文以数值预报全球谱模式为研究对象,针对银河全球谱模式(YHGSM)和北京气候中心大气环流模式(bcc＿agcm)中随着使用核数增多带来通信开销较大的问题,分别提出了基于垂直层分组的计算与通信重叠并行优化方案、纬圈分组和流水线的计算与... 详细信息

本文以数值预报全球谱模式为研究对象,针对银河全球谱模式(YHGSM)和北京气候中心大气环流模式(bcc＿agcm)中随着使用核数增多带来通信开销较大的问题,分别提出了基于垂直层分组的计算与通信重叠并行优化方案、纬圈分组和流水线的计算与通信重叠并行优化方案,优化模式的通信开销。通过多种进程配置下的两种模式优化前后的对比试验,发现基于计算与通信重叠的优化方案能够有效地隐藏数值预报全球谱模式的通信开销,减少模式的运行墙钟时间,并且能确保优化方案的正确性。在YHGSM格点空间的半拉格朗日插值方案中,需要先进行通信再进行插值计算,由于垂直层方向层数较多,由此带来的通信开销较大。为了解决上述问题,本文提出了一种基于垂直层分组的计算与通信重叠优化方案,将垂直层分为三组,采用非阻塞通信方式,将后一组的计算与前一组的通信重叠,由此隐藏了两组的通信。通过试验表明,基于垂直层分组的计算与通信重叠方案能够减少YHGSM半拉格朗日插值方案和模式的运行时间,在半拉格朗日方案一百步的平均运行时间中,纬度和经度方向进程为8*16配置时,优化方案的时间减少了0.05s,运行速度提高了12.50%。在模式的100步运行时间中,由于半拉格朗日插值方案只占整个模式的10%左右,纬度和经度进程为8*16的配置时,模式时间最高减少了6.32s。当总进程数为定值时,纬度方向进程越多,运行时间越少,性能越好。随着进程的增多,加速比有增大的趋势,而并行效率逐渐减小。通过模拟YHGSM优化方案前后第60层的温度以及850h Pa的东西方向风速可知,优化前后的模拟结果一致,由此验证了优化方案的正确性。在bcc＿agcm二维并行版本Pagcm中,格点空间、傅里叶空间和谱空间二维区域剖分的维度不一致,因此在各个空间需要进行三维数据的重分布。而傅里叶变换阶段所占比例较大,且格点计算和傅里叶正逆变换都逐纬圈进行,因此可以按纬圈分组,将各组数据重分布的通信与傅里叶变换的计算相重叠,由此来隐藏通信开销。通过可变参数调整分组的数目,可以实现计算与通信的流水线方式作业,进一步提高通信开销的重叠效率。试验结果表明,通过计算与通信重叠的并行优化,bcc＿agcm的10天运行时间中,总的动力框架过程运行时间有所减少,在纬度和经度方向的进程为配置为16*4,最佳分组为10,运行时间减少了6.19%;傅里叶变换阶段在纬度和经度方向进程配置为4*16,最优分组为8时,运行时间减少了18.84%;傅里叶逆变换阶段在纬度和经度方向进程为16*4,最佳组数为10时,运行时间减少了25.41%。在流水线的重叠方案中,能够找到最优的分组数目。在可扩展性试验中发现,纬度方向进程数目越大,优化方案的运行时间越少,纬度和经度方向的进程配置为32*4时效果最佳,总进程超过128时可扩展效果不明显。综上可知,基于计算与通信重叠的三维数组重分布方案能够有效地隐藏通信开销,并通过改变分组的数目,找到最佳的分组方案,最大限度地提高模式运行效率,减少模式的运行时间。通过模拟bcc＿agcm优化方案前后13层的温度以及东西方向风速可知,优化前后的模拟结果一致,由此验证了优化方案的正确性。

关键词：数值预报技术全球谱模式并行计算 YHGSM bcc_agcm 计算与通信重叠

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