Лаборатория методов дистанционного обучения, Научно-исследовательский вычислительный центр,

1. Вычислительно-информационные технологии для математического моделирования естественных и антропогенных изменений климата и природной среды Лаборатория методов дистанционного обучения, Научно-исследовательский вычислительный центр, МГУ им. М.В.Ломоносова отчет 2009г.

2. Коллектив лаборатории • Лыкосов В.Н. – д.ф.-м.н., зав. лаб. (проф. ф-та ВМиК МГУ, гл.н.с. ИВМ РАН) • Глазунов А.В. – к.ф.-м.н., с.н.с. (с.н.с. ИВМ РАН) • Степаненко В.М. – к.ф.-м.н., с.н.с. (н.с. Географического ф-та МГУ) • Мачульская Е.Е. – к.ф.-м.н., н.с. (с.н.с. Гидрометцентра РФ) • МикушинД.Н. – м.н.с. (аспирант ИВМ РАН, н.р. – В.Н. Лыкосов) • Мортиков Е.В. – м.н.с. (аспирант ИО им. П.П. Ширшова РАН, • н.р. – Е.В. Семенов, ИО РАН, Н.Г. Яковлев, ИВМ РАН) • Тыртышникова Т.К. – вед. программист Студенты • Е. Мортиков (5 курс факультета ВМиК МГУ, н.р. – А.В. Глазунов) • И. Алексеев (5-6 курс МФТИ, н.р. – А.В. Глазунов) • С. Ткачук, Д. Чечин (5 курс Географического ф-та МГУ, • н.р. – В.М. Степаненко) • М. Шапаев (4-5 курс факультета ВМиК МГУ, н.р. – В.Н. Лыкосов) • Е. Казакова (4 курс Географического факультета МГУ, н.р. – Е.Е. Мачульская)

3. Суперкомпьютерное моделирование природно-климатических процессов Математическое моделирование климата. Численное моделирование региональных атмосферных процессов. Вихреразрешающее моделирование атмосферного пограничного слоя. Моделирование процессов в деятельном слое и на поверхности суши.

4. Основные показатели • Сдано в печать 5 работ (в 2008 г. – 4 работы) • Опубликовано 12 статей (в 2008 г. – 6 статей) • Сделано 18 докладов на российских и международных научных конференциях (в 2008 г. – 17 докладов)

5. ― Earth System Model R. Loft ― The Challenges of ESM Modeling at the Petascale

6. Взаимодействие атмосферы и криосферы (Е. Е. Мачульская) более быстрый сход снега • Снежный покров: • Высокая отражательная способность • (альбедо) • Низкая теплопроводность • Накопление воды в течение длительного • периода • Многолетняя мерзлота: • Территория, занимаемая многолетней • мерзлотой, составляет четверть поверхности • суши • Северные экосистемы – наиболее уязвимы при • глобальном изменении климата • Площадь, занимаемая многолетней мерзлотой, • будет сокращаться, а глубина активного слоя • увеличиваться (IPCC, 2001) • Экосистемы: от поглощения углерода – • к его эмиссии (?) уменьшение альбедо поверхности положительная аномалия температуры большее количество поглощенной солнечной радиации

7. Осадки Испарение Поверхностный сток Снег Подповерхностный сток Почва Сток через нижнюю границу Модель общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН • горизонтальное разрешение 4х5 градусов • 21 уровень по вертикали • шаг по времени: • динамика + физика атмосферы 12 минут • физика подстилающей поверхности 1 час • радиация 3 часа • Физика подстилающей поверхности: • модель «почва – растительность – снег – • приземный слой атмосферы» • (23 уровня в почве, 4 уровня в снеге) • может работать автономно

8. Основные результаты (Е. Е. Мачульская)

12. Основные результаты (Е. Е. Мачульская) • Предложена методика оценки положительных обратных связей в климатической системе Земли. • Проведены численные эксперименты с моделью общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН по воспроизведению современного климата, рассчитано географическое распределение интенсивности обратной связи «альбедо – температура», обусловленной высокой отражающей способностью снежного покрова. • Показано, что в среднем за год и по всей территории Евразии величина данной обратной связи невелика (заметно меньше оценок обратных связей, возникающих из-за наличия облачности и водяного пара в атмосфере), но в зимне-весенние периоды времени и над отдельными районами она может достигать существенных значений.

13. Развитие мезомасштабной модели (В. М. Степаненко, Д. Н. Микушин) Модель переноса атмосферных аэрозолей (Микушин и Степаненко) Модель переноса солнечного и теплового излучения (Chou, Suarez) Модель снежного покрова и деятельного слоя суши ИВМ РАН (Володин и Лыкосов, Володина и др.) Модель водоема LAKE (Степаненко и Лыкосов)

14. Эмиссия метана термокарстовыми озёрами Термокарстовыеозера занимают в Северной части Сибири 22-48% площади суши, наблюдается тенденция роста их площади

15. Эмиссия метана термокарстовыми озёрами 8 - 50% антропогенной эмиссии метана до 2100 в зависимости от сценария IPCC (K. Walter et al., 2006, Nature) Незамерзающая “горячая точка” –источник метана в зимнее время

16. Модель динамики метана в водоемах, в т.ч. термокарстовых (Bastviken et al., 2002) Окисление метана(Arah & Stephen, 1998)

17. Температура донных отложений • озеро Красное, • (вблизиС.-Петербурга) • 1969 – 1979 годы • метеорологический «форсинг» - станция в г. Сортавала Температура дна Температура в донных отложениях (глубина 3 м) Наблюдения: Кузьменко, 1976. Теплопроводность отложений: Модель КотеиКонрада (Lu et al., 2007)

18. Поток метана на оз. Щучье • Результаты расчетов • атмосферный форсинг – реанализ • ERA-Interim (2002 -2004), разрешение 3 ч; • Наблюдения • (K. Walter et al., 2006): • озероЩучье, 2003-2004, разрешение 1 ч; • потоки в различных частях озера

19. Основные результаты (В. М. Степаненко) • В одномерную модель гидротермодинамики водоема включен блок генерации, переноса и стока метана в талике, донных отложениях и толще водоема. В модели также представлены диффузионный и пузырьковый перенос в вышележащие слои отложений и водную толщу, окисление в водной толще с образованием углекислого газа. Сравнение модельных результатов с данными измерений потока метана, проведенных на термокарстовых озерах Северо-Восточной Сибири, показало их удовлетворительное согласие на уровне значений годовой эмиссии.

20. Ускорение модели на кластере “Чебышев” (В. М. Степаненко) Размерность задачи 193 x 193 x 21 = 0.8 млн узлов

21. Оптимизация параллельного кода модели (В. М. Степаненко) Профилировка с применением Intel Trace Analyzer and Collector (ITAC) Ускорение MPI-обменов за счет использования коллективных пересылок и однократной инициализации пересылок«точка-точка» (MPI_START) Использование параллельной библиотеки Intel MKL …

22. Основные результаты (В. М. Степаненко) • Разработана параллельная версия мезомасштабной атмосферной модели для вычислительных систем с распределённой памятью. На кластерах «Чебышев» (НИВЦ МГУ), MВС-50000 (МСЦ РАН) и Blue Gene P (ВМК МГУ) при использовании 121-144 ядер рост производительности модели близок к линейному.

23. Реализация компонентов модели для Cell Broadband Engine (Д. Н. Микушин) • Оптимизация • Векторизованные для 128-битных регистров вычисления на SPU с двойной точностью • Множественная буферизация, использование DMA-списков для эффективного заполнения очереди запросов в глобальную память Ускорение PowerXCell8i по сравнению с OpenMP версией для двухпроцессорного узла с четырёхядерными Процессорами Intel Xeon 5472

24. Основные результаты (Д. Н. Микушин) • Для процессорной архитектуры Cell Broadband Engine реализованны численные схемы решения эллиптического уравнения и уравнения переноса. Исходный код пригоден для использования в составе различных приложений для Cell-серверов, в том числе тех, которые являются частью суперкомпьютера “Ломоносов”. • Для НОЦ «Суперкомпьютерные технологии» подготовлен краткий обзор “Анализ современных методов и технологий программирования компьютеровсперспективной архитектурой (на базе процессоров Cell)”

25. Моделирование турбулетных течений методом погружённой границы (Е.В. Мортиков) Контуры скорости и профиль давления для течения вокруг кругового цилиндра при Re = 80 Контуры скорости и профиль давления для течения вокруг двух круговых цилиндров при Re = 200

26. Возможное приложение: обтекание городской застройки Изоповерхности модуля завихренности при обтекании зданий городской застройки турбулентным потоком воздуха (расчет по LES-модели).

27. Основные результаты (А.В. Глазунов, Е.В. Мортиков) • Разработана реализация метода погруженной границы для моделирования течений вязкой несжимаемой жидкости в областях сложной конфигурации на декартовых сетках. • Проведено сравнение результатов моделирования с данными физических экспериментов в аэродинамической трубе и с результатами, полученными с помощью других методов представления криволинейной границы. • Для достижения той же самой точности в методе погруженной границы необходимо использовать большее число узлов сетки, что вызывает необходимость разработки и реализации параллельной версии программного кода.

28. http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures 20 km 20 km http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures

29. Численные расчёты турбулетного слоя Экмана (А.В. Глазунов) 512 x 512 x 64 (16 млн), шаг по времени – 1 c, время расчета – 48часов Структура и энергия пульсаций скорости в ПСА существенно зависит от направления ветра

30. Численные расчёты турбулетного слоя Экмана (А.В. Глазунов) Эволюция суммарной турбулентной кинетической энергии в развивающемся ПСА при восточном (черные кривые) и западном (красные кривые) направлениях ветра (45oс.ш.). Зеленые кривые – эволюция ТКЕ на экваторе (верхняя кривая - восточный ветер, нижняя -западный). Профили компонент средней скорости ветра в развитом ПСА при нейтральной стратификации (черные кривые – северо-восточный ветер; красные –юго-западный)

31. Основные результаты (А.В. Глазунов, Е.В. Мортиков) • При помощи вихреразрешающей модели исследовано влияние вращения Земли на структуру турбулентности и динамику квазиупорядоченных вихрей. • На суперкомпьютере СКИФ МГУ "Чебышев" проведены численные расчеты турбулентного слоя Экмана с большим размером расчетной области (20 млн узлов расчетной сетки), позволившие воспроизвести как мелкомасштабную трехмерную турбулентность, так и крупномасштабные валики с поперечным размером в несколько километров.

32. План на 2010 г. Развитие параллельной версии мезомасштабной модели атмосферы, параметризация процессов генерации, переноса и стока метана и с учетом баланса углерода. Анализ (на основе численных экспериментов с моделью) роли мезомасштабной ландшафтной изменчивости в интегральной эмиссии метана и углекислого газа в районах вечной мерзлоты (В.М. Степаненко, Е.Е. Мачульская). Разработка вычислительной технологии моделирования совместной мезомасштабной циркуляции атмосферы и переноса активной примеси; численные эксперименты и анализ результатов. Подготовка методического пособия по программированию для архитектуры Cell(Д.Н. Микушин).

33. План на 2010 г. Модификация вихреразрешающей модели пограничного слоя атмосферы с учетом динамического замыкания для скаляров. Разработка и реализация параллельной версии программного кода для метода погруженной границы. Численные эксперименты с новой версией модели с целью исследования влияния вращения Земли на турбулентную структуру стратифицированного пограничного слоя (А.В. Глазунов, Е.В. Мортиков). Развитие информационных ресурсов лаборатории, удалённый доступ к учебным материалам, актуальным версиям исходного кода и начальных данных разрабатываемых численных моделей.

34. http://geophyslab.srcc.msu.ru/