Load‐Balancing Intense Physics Calculations to Embed Regionalized High‐Resolution Cloud Resolving Models in the E3SM and CESM Climate Models
Load‐Balancing Intense Physics Calculations to Embed Regionalized High‐Resolution Cloud Resolving Models in the E3SM and CESM Climate Models
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负载平衡密集物理计算，将区域化高分辨率云解析模型嵌入到 E3SM 和 CESM 气候模型中
DOI：
10.1029/2021ms002841
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发表时间：
2022
影响因子：
6.8
通讯作者：
Bretherton, Christopher S.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Peng, Liran;Pritchard, Michael;Hannah, Walter M.;Blossey, Peter N.;Worley, Patrick H.;Bretherton, Christopher S.
我们设计了一种新的策略来对限制在全球气候模拟领域的一小部分高强度亚网格大气物理计算进行负载平衡。我们展示了为什么当前的并行负载均衡基础设施社区地球系统模型(CESM)和能量亿级地球模型(E3SM)不能在大量核心数下有效地处理这种情况。作为一个例子，我们研究了E3SM多尺度模式框架(MMF)的一种不寻常的配置，它嵌入了两个单独的云分辨模式网格结构的二元混合，这对于低云反馈研究是有吸引力的。与其他地方的标准低分辨率(MMF-LR)云超参数化相比，地球上只有不到三分之一的地区使用高分辨率(MMF-HR；亚千米水平网格间距)。为了使MMF能够与多域云解析模型(CRM)一起运行，我们的负载平衡理论根据高强度工作的相对开销及其覆盖率预测了最有效的计算规模。该方案通过将绝大多数处理器池有效地投入少数高强度(和限速)高分辨率(HR)网格柱上，成功地最大化了模型吞吐量并最小化了相对于前身基础设施的模型成本。两个例子证明了这一概念，表明在理想化的水行星上，可以在HR/低分辨率的CRM网格过渡边界附近引入较小的伪影，但在操作相关的真实地理环境中是最小的。正如预期的那样，在高(低)分辨率区域，我们的多域CRM模拟显示云层分数和短波反射与使用全球均匀的MMF-LR和MMF-HR的标准基线测试一致。我们认为，这种方法可以开启一系列创造性的多分辨率气候实验，而不需要过多地分配大量计算资源。
We design a new strategy to load‐balance high‐intensity sub‐grid atmospheric physics calculations restricted to a small fraction of a global climate simulation's domain. We show why the current parallel load balancing infrastructure of Community Earth System Model (CESM) and Energy Exascale Earth Model (E3SM) cannot efficiently handle this scenario at large core counts. As an example, we study an unusual configuration of the E3SM Multiscale Modeling Framework (MMF) that embeds a binary mixture of two separate cloud‐resolving model grid structures that is attractive for low cloud feedback studies. Less than a third of the planet uses high‐resolution (MMF‐HR; sub‐km horizontal grid spacing) relative to standard low‐resolution (MMF‐LR) cloud superparameterization elsewhere. To enable MMF runs with Multi‐Domain cloud resolving models (CRMs), our load balancing theory predicts the most efficient computational scale as a function of the high‐intensity work's relative overhead and its fractional coverage. The scheme successfully maximizes model throughput and minimizes model cost relative to precursor infrastructure, effectively by devoting the vast majority of the processor pool to operate on the few high‐intensity (and rate‐limiting) high‐resolution (HR) grid columns. Two examples prove the concept, showing that minor artifacts can be introduced near the HR/low‐resolution CRM grid transition boundary on idealized aquaplanets, but are minimal in operationally relevant real‐geography settings. As intended, within the high (low) resolution area, our Multi‐Domain CRM simulations exhibit cloud fraction and shortwave reflection convergent to standard baseline tests that use globally homogenous MMF‐LR and MMF‐HR. We suggest this approach can open up a range of creative multi‐resolution climate experiments without requiring unduly large allocations of computational resources.
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DOI：
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发表时间：
2004
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作者：
W. Grabowski
通讯作者：
W. Grabowski
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发表时间：
2017
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作者：
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通讯作者：
M. Khairoutdinov
使用社区大气模型进行基准测试
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发表时间：
2006
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作者：
P. Worley
通讯作者：
P. Worley
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作者：
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通讯作者：
Stefan N. Tulich