專利名稱：地球系統(tǒng)模式的通用模塊化并行耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地球系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及地球系統(tǒng)模式的耦合系統(tǒng) C-Coupler0
背景技術(shù)：
地球系統(tǒng)屬于復(fù)雜系統(tǒng)，是由大氣圈、水圈、陸圈(巖石圈、地幔、地核)和生物圈 (包括人類)組成的有機(jī)整體。地球系統(tǒng)模式是一種對地球系統(tǒng)復(fù)雜行為和過程模擬與預(yù)測的科學(xué)工具大型綜合計(jì)算程序。它把地球系統(tǒng)的大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈作為一個相互作用的整體來考慮問題，基于地球系統(tǒng)中的動力、物理、化學(xué)和生物過程建立起來的數(shù)學(xué)方程組來確定其各部分的性狀，由此構(gòu)成地球系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型，然后用數(shù)值的方法進(jìn)行求解，并通過高性能計(jì)算機(jī)付諸實(shí)現(xiàn)。地球系統(tǒng)模式由多個分量模式，其中每個分量模式是數(shù)值求解一種分量的子程序，例如大氣模式是數(shù)值求解大氣的程序。為實(shí)現(xiàn)分量模式間的相互作用，需要把分量模式通過聯(lián)系起來。耦合的基本功能包括實(shí)現(xiàn)分量模式間的耦合連接、分量模式間公共界面上的通量計(jì)算、耦合過程中物理量的診斷、耦合過程的重啟動支持、以及地球系統(tǒng)模式的編譯環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境等。隨著地球系統(tǒng)模式的發(fā)展，耦合還面臨著諸多未來需求，例如分量模式間耦合物理量不斷增加、分量模式的數(shù)量和種類不斷增加、分量模式間的交互式集合、雙向區(qū)域嵌套耦合、3D物理量耦合等。目前，最常用的耦合軟件包括美國國家大氣研究中心NCAR研制的耦合器和歐洲委員會資助項(xiàng)目PRISM研制的耦合工具庫OASIS。NCAR耦合器是基于耦合工具庫MCT (Model coupling toolkit模式耦合工具集) 實(shí)現(xiàn)多分量模式耦合的獨(dú)立軟件。其針對全球模式耦合，實(shí)現(xiàn)了多個分量模式間的耦合連接，具備通量計(jì)算、診斷分析和重啟動功能，提供了編譯環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。從20世紀(jì)90年代開始，NCAR耦合器已經(jīng)發(fā)展了多個版本cpll cpl7。圖1是基于NCAR耦合器的地球系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)，其中耦合器是一個獨(dú)立子程序，其作用相當(dāng)于一個網(wǎng)絡(luò)集線器，大氣、陸面、 海洋和海冰等分量模式都與耦合器連接，且只能通過耦合器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。除了完成分量模式之間的數(shù)據(jù)交換外，耦合器還進(jìn)行分量之間公共界面上的通量計(jì)算，例如計(jì)算大氣和海洋公共界面(即海平面)上的降水、蒸發(fā)和輻射等，而當(dāng)分量模式之間計(jì)算網(wǎng)格(計(jì)算網(wǎng)格是分量模式針對地球系統(tǒng)圈層在空間尺度上的一種分割)不相同時，耦合器還完成必要的數(shù)據(jù)插值過程。例如對于圖1，設(shè)海洋模式和大氣模式的網(wǎng)格不同，當(dāng)海洋模式需要獲得來自于大氣模式的降水時，大氣模式首先把降水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)給耦合器，耦合器收到大氣模式的數(shù)據(jù)后將其插值到海洋模式的網(wǎng)格上，然后進(jìn)行通量計(jì)算，最后把計(jì)算所得的降水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)給海洋模式。海洋模式也可以把自己的數(shù)據(jù)傳給大氣模式，例如把海水蒸發(fā)的數(shù)據(jù)通過耦合器給大氣模式。NCAR耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)分量模式連接時的工作量小，不同的地球系統(tǒng)模式可以共享耦合器提供的耦合流程，而分量模式只需提供數(shù)據(jù)和獲取數(shù)據(jù)，無需關(guān)心數(shù)據(jù)來源和其他分量模式的細(xì)節(jié)信息。盡管如此，NCAR耦合器存在以下不足，1、需要滿足耦合器的限制耦合器連接的分量模式數(shù)量和分量模式類型是特定的，不能改變。例如耦合器版本cpl6只能連接四個分量模式大氣模式、海洋模式、陸地模式和海冰模式。2、在通用性方面不支持雙向區(qū)域嵌套耦合，不支持分量模式在線集合(例如多個大氣模式數(shù)據(jù)的平均)。3、在靈活性方面耦合頻率以分量模式為單位；輸出頻率以耦合器為單位；插值算法的選擇以通量組和狀態(tài)量組為單位。4、在可維護(hù)性方面分量模式及耦合物理量的增減、耦合數(shù)值功能的擴(kuò)展與耦合計(jì)算性能的優(yōu)化都需要修改耦合器代碼。5、在數(shù)值耦合功能方面不支持三維數(shù)據(jù)的耦合，僅支持二維數(shù)據(jù)的耦合。6、在計(jì)算性能方面盡管實(shí)現(xiàn)了分量模式多個進(jìn)程與耦合器多個進(jìn)程之間的并行通信，但沒實(shí)現(xiàn)異步通信，此外耦合器集中控制分量模式耦合的方式會導(dǎo)致冗余通信。不同于NCAR耦合器，OASIS工具庫并不實(shí)現(xiàn)分量模式間的耦合連接，而是提供實(shí)現(xiàn)耦合連接的基本功能分量模式間的物理量通信函數(shù)、插值算法、重啟動函數(shù)。因此分量模式間的耦合連接、通量計(jì)算和診斷等耦合功能都由用戶自行實(shí)現(xiàn)。圖2是基于OASIS的地球系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)，其中OASIS不是獨(dú)立的模塊，而表現(xiàn)為分量模式之間的連接關(guān)系(即圖中的箭頭)。當(dāng)用戶使用OASIS構(gòu)建地球系統(tǒng)模式時，需要把有物理量交換的分量模式連接起來。例如為了實(shí)現(xiàn)大氣模式和海洋模式的耦合，需要使用OASIS的通信函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)兩個模式之間的數(shù)據(jù)交換。而當(dāng)大氣模式與海洋模式的網(wǎng)格不同時，需要使用OASIS的插值算法接口進(jìn)行插值。OASIS并不處理分量模式耦合頻率不一致的問題。例如大氣模式需要根據(jù)海洋模式發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率去接收和處理海洋模式的數(shù)據(jù)。此外OASIS不提供通量計(jì)算算法，為實(shí)現(xiàn)海洋-大氣之間的通量計(jì)算，用戶需要自己提供通量算法。OASIS以工具庫的形式給用戶實(shí)現(xiàn)耦合，比NCAR耦合器更具有靈活性，但其存在以下主要不足1、在通用性方面耦合分量模式的難度大，不僅需要考慮其他分量模式的細(xì)節(jié)信息，還需要實(shí)現(xiàn)必要的通量計(jì)算和通量診斷等功能；分量模式在線集合的實(shí)現(xiàn)需要大量工作。2、在可維護(hù)性能方面分量模式及耦合物理量的增減、耦合數(shù)值功能的擴(kuò)展與耦合計(jì)算性能的優(yōu)化都需要修改分量模式耦合接口代碼。3、在計(jì)算性能方面盡管分量模式之間的直接耦合不會導(dǎo)致冗余通信，但耦合計(jì)算性能依賴各分量模式耦合接口，難以做到整體計(jì)算性能優(yōu)化。綜上所述，盡管相關(guān)工作已得到廣泛使用，但它們在通用性、可維護(hù)性和計(jì)算性能方面均存在不足。隨著地球系統(tǒng)模式耦合的分量及模式不斷增多，以及雙向嵌套耦合和在線集合等需求的發(fā)展，上述不足將限制相關(guān)工作的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了滿足地球系統(tǒng)模式長期發(fā)展的需求，提出一種地球系統(tǒng)模式的通用模塊化并行耦合系統(tǒng)(簡稱C-Coupler)，該系統(tǒng)具有模塊化的結(jié)構(gòu)、用戶界面友好、通用性好、可維護(hù)性好，耦合效率高等諸多特點(diǎn)。本發(fā)明提出的地球系統(tǒng)模式的通用模塊化并行耦合系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括配置信息子系統(tǒng)、耦合生成子系統(tǒng)、地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)和用戶接口子系統(tǒng)；
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其中，配置信息子系統(tǒng)由地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊、地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊和地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊組成；地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊用于記錄分量模式、耦合器和耦合算法的配置信息；地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊用于記錄用戶所建立的地球系統(tǒng)模式用例的信息；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊由耦合生成子系統(tǒng)生成，用于記錄地球系統(tǒng)模式在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)各分量模式之間耦合、集合和區(qū)域嵌套的配置信息；耦合生成子系統(tǒng)用于檢測地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊和地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊中的配置信息的正確性和完整性，并基于這兩種配置信息自動生成地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊中的配置信息；在生成運(yùn)行時配置信息的過程中，耦合生成子系統(tǒng)自動檢測出分量模式集合需求和區(qū)域嵌套耦合需求，自動實(shí)現(xiàn)分量模式間的直接耦合、 分量模式集合、區(qū)域嵌套耦合、耦合器程序的自動并行剖分、異步并行通信、重啟動功能，處理分量模式間耦合頻率不同的匹配，實(shí)現(xiàn)多個分量模式之間計(jì)算負(fù)載的平衡；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)用于通過加載運(yùn)行時配置信息后，實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時分量模式耦合、集合和區(qū)域嵌套；用戶接口子系統(tǒng)面向用戶，用于通過圖形界面和字符界面實(shí)現(xiàn)用戶對地球系統(tǒng)模式組件和用例配置信息的輸入和顯示，以及對地球系統(tǒng)模式運(yùn)行的控制；各子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系為用戶接口子系統(tǒng)的輸入端與地球系統(tǒng)模式組件相連，用戶接口子系統(tǒng)的輸出端通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊的輸入端相連，地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊的輸入端與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊的輸出端相連，還通過耦合生成子系統(tǒng)與用戶接口子系統(tǒng)的輸出端相連；地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊的輸出端通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊的輸入端相連，地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊的輸入端與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)輸入端相連；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)輸出端通過用戶接口子系統(tǒng)后作為本系統(tǒng)的輸入端。上述地球系統(tǒng)模式用例的信息可包括選擇的分量模式、耦合器配置、耦合算法、耦合頻率和計(jì)算資源需求；其中用戶所選擇的分量模式、耦合器配置和耦合算法均來自于組件配置信息模塊；用例配置信息的選擇可以是增量式的，用戶不選擇的內(nèi)容通過默認(rèn)方式配置。本發(fā)明具有以下主要特點(diǎn)1、模塊化結(jié)構(gòu)由地球系統(tǒng)模式配置信息子系統(tǒng)、耦合生成子系統(tǒng)、地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)和用戶接口子系統(tǒng)組成。配置信息子系統(tǒng)管理分量模式、耦合算法和耦合器等組件的配置信息，地球系統(tǒng)模式用例的配置信息和地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時的配置信息。耦合生成子系統(tǒng)基于組件配置信息和用例配置信息自動生成運(yùn)行時配置信息，并在生成過程中進(jìn)行計(jì)算性能優(yōu)化。地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)可自動加載地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息，形成運(yùn)行的地球系統(tǒng)模式。2、用戶界面友好用戶可根據(jù)自己的喜好，通過圖形用戶接口或直接編輯配置文件實(shí)現(xiàn)分量模式的接入、耦合器的創(chuàng)建、耦合算法的集成和地球系統(tǒng)模式用例的配置。3、通用性統(tǒng)一支持全球模式耦合和雙向區(qū)域嵌套耦合，支持分量模式在線集合， 新分量模式通過通用耦合接口集成，新耦合數(shù)值算法通過通用算法接口集成；構(gòu)建地球系統(tǒng)模式的難度小，用戶不需修改程序代碼，只需選擇任意數(shù)量的分量模式、相應(yīng)耦合器和耦合算法就能得到想要的地球系統(tǒng)模式。4、在可維護(hù)性好，接入分量模式、集成耦合算法和創(chuàng)建耦合器的難度小接入分量模式時，只需要配置分量模式的相關(guān)信息，例如分量模式基本信息和耦合物理量信息等，而無須關(guān)心分量模式如何實(shí)現(xiàn)分量模式的耦合。在集成耦合算法時，只需提供算法的基本信息和輸入輸出變量信息等。創(chuàng)建耦合器時，并不需要寫耦合器相關(guān)代碼，只需以耦合算法為單位配置主要耦合計(jì)算流程，而且不需要關(guān)注插值、數(shù)據(jù)輸出、重啟動等功能，這些功能都會通過耦合生成子系統(tǒng)和地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)自動實(shí)現(xiàn)。5、屬于高效并行軟件既具備耦合器，也同時實(shí)現(xiàn)分量模式之間的直接耦合；用例配置信息記錄了地球系統(tǒng)模式耦合相關(guān)的整體信息，耦合生成子系統(tǒng)可基于整體信息進(jìn)行計(jì)算性能優(yōu)化，例如實(shí)現(xiàn)分量模式間的直接并行通信、選擇合適的模式或耦合器進(jìn)行插值以減小通信開銷、通過在分量模式耦合接口中實(shí)現(xiàn)插值和通量計(jì)算等以達(dá)到負(fù)載平衡、 通過調(diào)度算法和通信的順序?qū)崿F(xiàn)真正的異步通信等優(yōu)化；當(dāng)耦合生成子系統(tǒng)計(jì)算性能優(yōu)化策略豐富和升級時，可以隨即提升所有地球系統(tǒng)模式用例的計(jì)算性能。


圖1為已有的基于NCAR耦合器的地球系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)；圖2為已有的基于OASIS的地球系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)；圖3為基于本發(fā)明耦合系統(tǒng)C-Coupler的地球系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)；圖4為本發(fā)明耦合系統(tǒng)C-Coupler的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出地球系統(tǒng)模式的通用模塊化并行耦合系統(tǒng)C-Coupler。結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下基于本發(fā)明的C-Coupler的地球系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中，虛線框內(nèi)為本發(fā)明系統(tǒng)，該模式不同于NCAR耦合器和OASIS，C-Coupler既具備耦合器，也實(shí)現(xiàn)分量模式間的直接物理量交換(圖3虛框中不經(jīng)過耦合器的曲線表示分量模式間的直接數(shù)據(jù)交換)。 例如在實(shí)現(xiàn)大氣模式與海洋模式的耦合時，大氣模式的狀態(tài)物理量如氣溫、經(jīng)向風(fēng)速和緯向風(fēng)速等不經(jīng)耦合器直接傳給海洋模式，而大氣模式的通量物理量如降水和輻射等則通過耦合器實(shí)現(xiàn)耦合，耦合器在收到大氣的通量物理量后調(diào)用海氣通量算法，然后把所得的物理量發(fā)送給海洋。C-Coupler具有虛擬化特點(diǎn)，在接入新分量模式時，用戶僅需考慮分量模式與耦合器之間的連接，既不用實(shí)現(xiàn)分量模式間的直接耦合，也不用考慮其他分量模式的信息例如耦合頻率和網(wǎng)格等，而分量模式間的耦合物理量計(jì)算流程由耦合器配置文件管理。在用戶完成對地球系統(tǒng)模式用例的配置后，分量模式之間的直接耦合由耦合生成子系統(tǒng)自動生成的，從而減少用戶實(shí)現(xiàn)分量模式耦合的工作量并降低難度。例如，在接入大氣模式時，只需提供大氣模式的輸入/輸出數(shù)據(jù)信息和耦合頻率，實(shí)現(xiàn)大氣模式與耦合器的虛擬連接。在生成地球系統(tǒng)模式時，耦合生成子系統(tǒng)會檢測到大氣模式的有些數(shù)據(jù)例如溫度可以直接發(fā)給海洋模式、陸地模式和海冰模式而不經(jīng)過耦合器。當(dāng)分量模式之間的網(wǎng)格不同時，耦合生成子系統(tǒng)還會自動實(shí)現(xiàn)物理量在不同網(wǎng)格之間的插值。本發(fā)明的C-Coupler的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)包括配置信息子系統(tǒng)、耦合生成子系統(tǒng)、地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)和用戶接口子系統(tǒng)；其中，配置信息子系統(tǒng)由三個模塊組成地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊、地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊和地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊；地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊用于記錄分量模式、耦合器和耦合算法的配置信息(這些配置信息由用戶在接入分量模式、提供耦合算法和建立耦合器時注冊到地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊)；地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊用于記錄用戶所建立的地球系統(tǒng)模式用例的信息，地球系統(tǒng)模式用例的信息具體包括選擇的分量模式、耦合器配置、耦合算法、耦合頻率和計(jì)算資源需求等 (其中用戶所選擇的分量模式、耦合器配置和耦合算法均來自于組件配置信息模塊，用例配置信息的選擇可以是增量式的，用戶不選擇的內(nèi)容通過默認(rèn)方式配置)；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊由耦合生成子系統(tǒng)生成，其記錄地球系統(tǒng)模式在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)各分量模式之間耦合、集合和區(qū)域嵌套的配置信息；耦合生成子系統(tǒng)用于檢測地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊和地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊中的配置信息的正確性和完整性，并基于這兩種配置信息自動生成地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊中的配置信息；在生成運(yùn)行時配置信息的過程中，耦合生成子系統(tǒng)自動檢測出分量模式集合需求和區(qū)域嵌套耦合需求，自動實(shí)現(xiàn)分量模式間的直接耦合、 分量模式集合、區(qū)域嵌套耦合、耦合器程序的自動并行剖分、異步并行通信、重啟動等功能， 處理分量模式間耦合頻率不同的匹配，實(shí)現(xiàn)多個分量模式之間計(jì)算負(fù)載的平衡；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)用于通過加載運(yùn)行時配置信息后，實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時分量模式耦合、集合和區(qū)域嵌套(各個分量模式有獨(dú)立的運(yùn)行時配置信息，但他們共用地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)；用戶接口子系統(tǒng)面向用戶，用于通過圖形界面和字符界面實(shí)現(xiàn)用戶對地球系統(tǒng)模式組件和用例配置信息的輸入和顯示，以及對地球系統(tǒng)模式運(yùn)行的控制。各子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系如下用戶接口子系統(tǒng)的輸入端與地球系統(tǒng)模式組件 (包括分量模式、耦合器和耦合算法)相連，用戶接口子系統(tǒng)的輸出端通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊的輸入端相連，地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊的輸入端與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊的輸出端相連，還通過耦合生成子系統(tǒng)與用戶接口子系統(tǒng)的輸出端相連；地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊的輸出端通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊的輸入端相連，地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊的輸入端與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)輸入端相連；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)輸出端通過用戶接口子系統(tǒng)后作為本系統(tǒng)的輸入端。本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程為1、在接入地球系統(tǒng)模式組件(包括分量模式、耦合器和耦合算法)時，用戶通過用戶接口子系統(tǒng)輸入地球系統(tǒng)模式組件的配置信息，耦合生成子系統(tǒng)在完成配置信息的正確性檢查后，把配置信息存放在地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊中。2、在配置地球系統(tǒng)模式用例時，用戶通過用戶接口子系統(tǒng)，基于地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊中的配置信息，輸入地球系統(tǒng)模式用例的配置信息，耦合生成子系統(tǒng)在完成配置信息的正確性檢查后，把配置信息存放在地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊中。3、在完成地球系統(tǒng)模式用例配置信息后，耦合生成子系統(tǒng)根據(jù)地球系統(tǒng)模式組件配置信息和地球系統(tǒng)模式用例配置信息自動生成地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息并記錄與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊中。4、運(yùn)行地球系統(tǒng)模式時，地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息被地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)自動加載。用戶在使用本發(fā)明C-Coupler構(gòu)建其所需要地球系統(tǒng)模式時的工作流程如下1、將所需的多個分量模式(如大氣模式、陸地模式、海洋模式和海冰模式)接入到本系統(tǒng)中。在接入一個分量模式時，首先通過用戶接口子系統(tǒng)提供分量模式的基本信息， 包括分量模式名、網(wǎng)格信息、輸入?yún)?shù)信息、代碼和編譯配置等；再通過用戶接口子系統(tǒng)提供耦合相關(guān)信息，包括耦合時輸入與輸出的各個物理量信息；最后在分量模式代碼中嵌入 C-Coupler的耦合接口代碼(當(dāng)用戶需要增加或修改分量模式耦合變量信息時，僅需修改相應(yīng)配置文件而無需修改代碼)；2、接入耦合算法。在接入一個耦合算法時，用戶首先提供算法的基本信息，包括算法名、所有輸入變量和輸出變量的信息、以及算法描述信息，然后提供算法的接口信息和算法代碼。對于同一種算法，C-Coupler采用通用算法接口以集成它們，以供用戶在生成地球系統(tǒng)模式用例時選擇。3、建立耦合器配置。在C-Coupler中，耦合器表現(xiàn)為配置文件形式，其以耦合算法名為單位記錄了耦合計(jì)算流程。4、建立地球系統(tǒng)模式用例。用戶使用已記錄在組件配置信息模塊中的多個分量模式和相應(yīng)耦合器建立地球系統(tǒng)模式用例。在建立用例過程中，耦合生成子系統(tǒng)會檢測分量模式與耦合器是否匹配，也會檢測是否存在分量模式集合需求和區(qū)域嵌套耦合需求。當(dāng)存在多個同一種分量模式參與耦合時，例如有多個大氣模式參與耦合，耦合生成子系統(tǒng)會通過交互式方式請用戶確認(rèn)分量模式集合和區(qū)域嵌套耦合的需求與方法。在分析耦合流程過程中，耦合生成子系統(tǒng)會檢測插值需求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要插值的物理量時，用戶可指定插值算法，也可選用默認(rèn)插值算法。此外，用戶還可以設(shè)定耦合頻率、計(jì)算資源需求等信息、分量模式運(yùn)行的輸入?yún)?shù)等。5、生成地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息。此階段由耦合生成子系統(tǒng)自動完成，無需用戶參與和修改代碼。耦合生成子系統(tǒng)通過分析耦合計(jì)算流程，實(shí)現(xiàn)分量模式間的直接耦合和經(jīng)過耦合器的耦合。當(dāng)發(fā)現(xiàn)不用經(jīng)過通量計(jì)算的耦合計(jì)算流程時，耦合生成子系統(tǒng)采用分量模式直接耦合的方式實(shí)現(xiàn)；反之，采用經(jīng)過耦合器耦合的方式實(shí)現(xiàn)。例如對于大氣發(fā)給海洋的狀態(tài)量如溫度和風(fēng)速，可以采用直接耦合方式實(shí)現(xiàn)，而對于需要經(jīng)過海氣通量計(jì)算的通量如降水和輻射等，則采用經(jīng)過耦合器耦合的方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)存在分量模式需要集合或區(qū)域嵌套耦合時，耦合生成子系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，結(jié)合相應(yīng)耦合算法，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的分量模式耦合連接和耦合計(jì)算流程。耦合生成子系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能的優(yōu)化，具體包括耦合器計(jì)算負(fù)載的并行化、異步通信的實(shí)現(xiàn)等。對于用戶耦合頻率和耦合延遲的選擇，耦合生成子系統(tǒng)也將自動處理。耦合生成子系統(tǒng)最終生成地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息。6、運(yùn)行地球系統(tǒng)模式。在第5步結(jié)束后，用戶只要提交執(zhí)行命令，地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)就自動加載運(yùn)行時配置信息，實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)模式的運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種地球系統(tǒng)模式的通用模塊化并行耦合系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括配置信息子系統(tǒng)、耦合生成子系統(tǒng)、地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)和用戶接口子系統(tǒng)；其中，配置信息子系統(tǒng)由地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊、地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊和地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊組成；地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊用于記錄分量模式、耦合器和耦合算法的配置信息；地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊用于記錄用戶所建立的地球系統(tǒng)模式用例的信息；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊由耦合生成子系統(tǒng)生成，用于記錄地球系統(tǒng)模式在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)各分量模式之間耦合、集合和區(qū)域嵌套的配置信息；耦合生成子系統(tǒng)用于檢測地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊和地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊中的配置信息的正確性和完整性，并基于這兩種配置信息自動生成地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊中的配置信息；在生成運(yùn)行時配置信息的過程中，耦合生成子系統(tǒng)自動檢測出分量模式集合需求和區(qū)域嵌套耦合需求，自動實(shí)現(xiàn)分量模式間的直接耦合、分量模式集合、區(qū)域嵌套耦合、耦合器程序的自動并行剖分、異步并行通信、重啟動功能，處理分量模式間耦合頻率不同的匹配，實(shí)現(xiàn)多個分量模式之間計(jì)算負(fù)載的平衡；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)用于通過加載運(yùn)行時配置信息后，實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時分量模式耦合、集合和區(qū)域嵌套；用戶接口子系統(tǒng)面向用戶，用于通過圖形界面和字符界面實(shí)現(xiàn)用戶對地球系統(tǒng)模式組件和用例配置信息的輸入和顯示，以及對地球系統(tǒng)模式運(yùn)行的控制；其中用戶接口子系統(tǒng)的輸入端與地球系統(tǒng)模式組件相連，用戶接口子系統(tǒng)的輸出端通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊的輸入端相連，地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊的輸入端與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊的輸出端相連，還通過耦合生成子系統(tǒng)與用戶接口子系統(tǒng)的輸出端相連；地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊的輸出端通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊的輸入端相連，地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊的輸入端與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)輸入端相連；地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)輸出端通過用戶接口子系統(tǒng)后作為本系統(tǒng)的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地球系統(tǒng)模式用例的信息包括選擇的分量模式、耦合器配置、耦合算法、耦合頻率和計(jì)算資源需求；其中用戶所選擇的分量模式、 耦合器配置和耦合算法均來自于組件配置信息模塊；用例配置信息的選擇是增量式的，用戶不選擇的內(nèi)容通過默認(rèn)方式配置。
全文摘要
本發(fā)明涉及地球系統(tǒng)模式的通用模塊化并行耦合系統(tǒng)，屬于地球系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括配置信息子系統(tǒng)、耦合生成子系統(tǒng)、地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)和用戶接口子系統(tǒng)；用戶接口子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式組件相連，并通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊相連，地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊與地球系統(tǒng)模式組件配置信息模塊相連，還通過耦合生成子系統(tǒng)與用戶接口子系統(tǒng)相連；地球系統(tǒng)模式用例配置信息模塊通過耦合生成子系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊相連，地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時配置信息模塊與地球系統(tǒng)模式運(yùn)行時子系統(tǒng)相連。該系統(tǒng)具有模塊化的結(jié)構(gòu)、用戶界面友好、通用性好、可維護(hù)性好，耦合效率高等諸多特點(diǎn)。
文檔編號G06Q90/00GK102592251SQ201110021098
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者劉利, 楊廣文, 王小鴿 申請人:清華大學(xué)