Parallelisierung von meteorologischen Modellen unter besonderer Berücksichtigung des Produktionscodes MM5

Inhaltsverzeichnis

• Einleitung
• Mathematische und physikalische Grundlagen
  • Partielle Differentialgleichungen
  • Numerische Behandlung parabolischer Anfangsrandwertaufgaben
    • Differenzenverfahren
    • Konsistenz, Konvergenz und Stabilität
    • Das Courant-Friedrichs-Lewy-Kriterium
  • Hydrodynamik
    • Physikalische Erhaltungssätze
    • Die Grundgleichungen als Anfangsrandwertaufgabe
  • Einige meteorologische Elementarphänomene
• Das meteorologische Modell MM5 (Mesoscale Model 5)
  • Aufbau und Konzept des MM5-Modells
  • Physikalische Modellierung
    • Hydrostatische Approximation
    • Vertikale Modellkoordinate
    • Projektion des Modellgebiets
    • Grundgleichungen des MM5-Modells
  • Parametrisierung physikalischer Prozesse
    • Horizontale Diffusion
    • Feuchtigkeit
  • Diskretisierung des Modellgebiets
    • Horizontale Auflösung als „Staggered Grid“
    • Vertikale Auflösung in σ-Niveaus
  • Finiter-Differenzen-Algorithmus
    • Diskretisierung der Grundgleichungen
    • Zeitintegration und Filterung
    • Seitliche Randbedingungen („Randrelaxation“)
  • Sequentielles Programm
• Konzepte zur Parallelisierung meteorologischer Modelle
  • Paralleles Rechnen
    • Aufbau und Ablauf paralleler Programme
    • Bewertung paralleler Programme
  • Ansätze zur Parallelisierung des MM5
    • Analyse der Parallelisierbarkeit
    • Daten-paralleles Modell
    • Dekomposition des Modellgebiets
• Parallelisierung des MM5-Programmcodes
  • Erfahrungen bei der Portierung des sequentiellen Codes
    • Portierung des CRAY-Codes in Standard-Fortran
    • Konvertierung der Daten
  • Das parallele MM5-Programm
    • Datenabhängigkeiten
    • Partitionierung des Rechengitters
    • Kommunikation der Prozesse
• Ergebnisse
  • Untersuchungen von Laufzeit, Effizienz und Load-Balancing
  • Meteorologische Überprüfung der Ergebnisse
• Schlußbetrachtung

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Parallelisierung des meteorologischen Modells MM5 (Mesoscale Model 5). Das Ziel ist es, die Berechnungszeit des Modells durch die Verwendung von Parallelrechnern zu reduzieren und so die Effizienz zu steigern. Die Arbeit konzentriert sich auf die parallele Umsetzung des MM5-Codes und die Analyse der erzielten Effizienzsteigerungen.

• Parallelisierung von meteorologischen Modellen
• Analyse der Parallelisierbarkeit des MM5-Modells
• Entwicklung eines parallelen MM5-Codes
• Evaluierung der Effizienz und Skalierbarkeit des parallelen Codes
• Untersuchung der meteorologischen Qualität der Ergebnisse

Zusammenfassung der Kapitel

• Einleitung: Die Einleitung führt in die Thematik der Parallelisierung meteorologischer Modelle ein und erläutert die Bedeutung des MM5-Modells. Die Arbeit stellt die Zielsetzung und den Aufbau der Arbeit dar.
• Mathematische und physikalische Grundlagen: Dieses Kapitel behandelt die mathematischen und physikalischen Grundlagen, die für das Verständnis des MM5-Modells relevant sind. Dazu gehören partielle Differentialgleichungen, numerische Verfahren, hydrodynamische Gleichungen und meteorologische Grundprinzipien.
• Das meteorologische Modell MM5 (Mesoscale Model 5): Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise des MM5-Modells. Es werden die physikalischen Modellierungen, die Parametrisierungen, die Diskretisierung des Modellgebiets und der Finiter-Differenzen-Algorithmus erläutert.
• Konzepte zur Parallelisierung meteorologischer Modelle: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Konzepte des parallelen Rechnens und erläutert verschiedene Ansätze zur Parallelisierung von meteorologischen Modellen.
• Parallelisierung des MM5-Programmcodes: Dieses Kapitel beschreibt die konkrete Parallelisierung des MM5-Codes. Es werden die Portierung des sequentiellen Codes, die Datenabhängigkeiten, die Partitionierung des Rechengitters und die Kommunikation der Prozesse erläutert.
• Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Parallelisierung, die in Form von Laufzeitmessungen, Effizienz- und Load-Balancing-Analysen sowie einer meteorologischen Überprüfung dargestellt werden.

Schlüsselwörter

Die Arbeit befasst sich mit zentralen Themen der Meteorologie und des parallelen Rechnens. Die wichtigsten Schlüsselwörter sind: meteorologisches Modell, MM5, Parallelisierung, paralleles Rechnen, Effizienz, Skalierbarkeit, Datenabhängigkeiten, Rechengitter, Kommunikation, Meteorologie, Hydrodynamik, numerische Verfahren.