[发明专利]一种全分布式流域生态水文模型的快速并行化方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机技术及流域水资源技术领域，具体涉及一种全分布式流域生态水文模型的快速并行化方法。

背景技术

流域生态水文模型是全球变化研究的重要工具，通过定量评估人类活动和气候变化对流域生态水文过程的影响，为全球变化下流域管理决策的制定提供科学支撑，是当前国内外研究的前沿和热点问题。全分布式流域生态水文模型通过将流域划分为异质性空间计算单元，充分考虑水文水资源要素在空间上的变化，充分考虑流域内空间计算单元之间数量交换和相互影响，从而更为合理地刻画气候变化和人类活动影响下的流域生态水文过程。全分布式的流域生态水文模型具有时空数据密集和计算密集的特点，主要体现在：1)流域生态水文模拟高度复杂，需大量的数据和参数输入，同时生成大量的中间变量，具有计算密集的特点；2）全空间分布式的生态水文模型涉及大量的栅格数据，随着流域面积的扩大（如大尺度流域），栅格单元急剧增加，所涉及的数据量和计算量也急剧增加，具有计算密集型特点；3）流域生态水文过程计算要求较高的时间动态性，时间步长往往为小时或分钟尺度，具有数据密集的特点。生态水文模型对高性能计算提出了很高的要求，传统的串行计算模式难以满足其要求，迫切需要发展流域全分布式生态水文模型的并行技术。

目前，并行计算技术在流域生态水文过程模拟中的应用尚且处于起步阶段，主要集中于水文过程模拟，对于流域生态水文耦合模型的并行计算研究较少；现有研究大多采用基于消息传递模型的MPI、共享内存模型的OpenMP以及MPI+OpenMP的混合并行模型，然而，随着流域面积的增加，不仅带来数据量的增加，任务之间更为复杂的数据依赖关系也使得传统的并行处理算法在并行处理过程中的控制逻辑非常复杂，从而导致算法的并行处理性能的扩展性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种全分布式流域生态水文模型的快速并行化方法，以克服目前现有方法存在上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种全分布式流域生态水文模型的快速并行化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将流域划分为栅格单元，以栅格单元为基本计算单元，同时根据DEM进行地形分析，从而获取栅格流向关系，并建立流域内所有栅格计算任务依赖关系；

步骤二：按生态水文过程计算的数据传递关系，对全分布式生态水文模型的栅格计算任务进行分解；

步骤三：步骤二中栅格计算任务分解后，将栅格计算任务封装为独立运行的计算任务，每个计算任务具有相同的计算方法和输入输出文件，保证每个计算任务可以分配到不同的处理器上进行独立运算；

步骤四：根据步骤一中得到的所述流域内栅格的水流依赖关系，将全分布式生态水文模型的所有栅格计算任务进行解耦，并构建基于栅格计算任务依赖关系的任务树；

步骤五：采用DAG模型对步骤四中的任务树进行表示；

步骤六：根据DAG模型和边际消除的动态调度算法求解有效的任务调度方案，动态的生成任务调度序列； 

步骤七：根据任务调度序列，提交PBS任务调度器，实现模型的并行计算。

进一步的，栅格计算任务可并行性分解为弱数据相关性的垂向生态水文过程计算和强数据相关性的侧向生态水文过程计算；所述垂向的生态水文过程计算主要包括降雨、蒸发、坡面产流、植物光合、蒸腾、根系吸水等过程的输入和输出的计算；所述侧向生态水文过程计算为坡面汇流过程的计算，即水流在栅格单元与栅格单元之间的迁移过程，下游栅格的计算考虑上游栅格的来水量，栅格单元之间存在较强的数据依赖性。

进一步的，为实现栅格单元的计算任务封装为独立运算的任务，需调整流域生态水文模型的时空循环顺序，在每一个栅格完成整个模拟时段的生态水文过程计算后，再进行下一个栅格整个模拟时段的运算，上下游栅格之间的水流交换通过文本方式传递，避免复杂的参数传递。

进一步的，步骤四中所述的任务树中设有若干节点，所述节点与全流域内栅格计算任务相对应，若两个栅格计算任务之间存在依赖关系，在树中对应节点就存在父子关系，即上游栅格为父结点，其下游栅格作为其子结点，子结点的计算任务需等父结点完成了才能执行。

缩略语：DEM：数字高程模型；DAG：数据库可用性组；PBS：工作负载管理器和调度器；XML：可扩展标记语言。