目前我國流域水文信息化的研究越來越受重視,但由于海量的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜的物理計算需要更多的時間開銷,流域水文模型的模擬速度已不能滿足流域水循環(huán)過程的精細(xì)化研究需求�；诙嗪说乃哪Ｐ筒⑿杏嬎慵夹g(shù)是提高模擬速度的主流方法,然而如何合理的設(shè)計并行算法應(yīng)用于水文模型,以及如何高效利用CPU、GPU的計算能力已成為快速模擬中亟需解決的關(guān)鍵性問題。針對上述問題,本文基于WEP-L水循環(huán)模型的產(chǎn)流模塊,選取OpenMP、MPI和CUDA三種具有代表性的并行技術(shù),對模型進(jìn)行了并行化設(shè)計,并對設(shè)計模型進(jìn)行了效果分析,也在此基礎(chǔ)上提出了進(jìn)一步的優(yōu)化措施。主要工作及成果如下:（1）基于OpenMP的模型并行計算設(shè)計與實現(xiàn)。本文對子流域循環(huán)采取指數(shù)調(diào)度方式,分配子流域處理個數(shù)由大到小的遞減,進(jìn)行CPU上多線程動態(tài)分配。以及對存在循環(huán)依賴關(guān)系的全局變量采取線程私有化設(shè)計,解決數(shù)據(jù)競爭問題。并行化的模型適用于多核的單主機(jī)。當(dāng)線程數(shù)為20時,黃河流域產(chǎn)流模塊計算的總時間達(dá)到最小,由單線程的9556秒縮短至1219秒。當(dāng)線程數(shù)為18²0時,加速比峰值為7.8。（2）基于MPI的模型并行計算設(shè)計與... 

【文章來源】：華北水利水電大學(xué)河南省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

二元水循環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖

華北水利水電大學(xué)碩士學(xué)位論文2是在每個空間單元上遵循概念性集總式模型的計算方式得出凈雨量，再完成匯流模擬，得出流域出口斷面的流量數(shù)值；基于物理方程的分布式模型，機(jī)理是在每個空間單元上運用運動方程、連續(xù)方程等抽象化聯(lián)立相鄰單元間的時空依賴關(guān)系，再通過數(shù)值分析計算求解。2003~2004年，在國家重點基礎(chǔ)研究（973）發(fā)展規(guī)劃項目“黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機(jī)理”的研究過程中，中國水利水電科學(xué)研究院水資源所[2~3]開發(fā)了基于耦合模擬天然水循環(huán)過程與人工側(cè)支水循環(huán)過程的大尺度流域分布式水文模型WEP-L（WaterandEnergytransferProcessinLargeriverbasins），是具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型。經(jīng)過10多年的發(fā)展和完善，功能越來越完備。從最初主要面向人類活動較少流域的自然水循環(huán)模擬，逐步發(fā)展到面向高強(qiáng)度人類活動流域的二元水循環(huán)模擬，再發(fā)展到寒區(qū)水循環(huán)模擬、城市水循環(huán)模擬等，應(yīng)用范圍越來越廣泛[4~6]。由于研究的大流域越來越精細(xì)，單元結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，模擬速度不理想，阻礙了水文工作者對流域水循環(huán)的研究，其傳統(tǒng)的串行計算方式亟待改變。1.1.2并行計算概述在并行機(jī)上，將一個待解決問題用分治法的思路，拆分成多個小問題，再匹配不同的處理器，處理器之間互相協(xié)作，收發(fā)數(shù)據(jù)，同時開始計算，以此達(dá)到縮短計算時間或者提高計算規(guī)模的目的，這就是并行計算。當(dāng)并行計算求解一個物理問題時，需將其映射到并行機(jī)上，再層層抽象完成并行程序設(shè)計，如圖1-2所示。圖1-2問題的并行求解過程Fig1-2Theparallelsolutionofaproblem對于實際的物理問題，先進(jìn)行抽象建模，建立它的并行求解模型，才能高效地求解

緒論7圖1-3研究技術(shù)路線圖Fig1-3Theillustrationoftechnologyroadmap1.4本文組織結(jié)構(gòu)第一章為緒論。本章簡要闡述了水文模型和并行計算的研究背景，并說明并行計算應(yīng)用于水文模型的目的和意義。然后討論了國內(nèi)外專家學(xué)者在水文模型并行計算領(lǐng)域取得的進(jìn)展和如今的發(fā)展趨勢。最后，介紹文章的主要研究內(nèi)容、技術(shù)路線和組織結(jié)構(gòu)。第二章為WEP-L水循環(huán)模型在黃河流域的應(yīng)用。本章主要介紹WEP-L水循環(huán)模型的相關(guān)理論知識。開端將研究流域水循環(huán)的意義作為引言，了解此模型存在的價值。然后從流域概況分析，了解黃河流域地理條件復(fù)雜、功能模塊多樣、水文數(shù)據(jù)海量、計算工程龐大等特點。之后根據(jù)模型的計算單元劃分，明確模型的計算基礎(chǔ)，再從平面結(jié)構(gòu)著重闡述匯流過程，從垂向結(jié)構(gòu)著重闡述產(chǎn)流過程。并從模型模擬環(huán)境與步驟了解其程序的具體運作流程，最后對模型的并行化進(jìn)行可行性分析。第三章為基于OpenMP的模型并行計算設(shè)計與實現(xiàn)。本章首節(jié)介紹了OpenMP的相關(guān)理論，包括多線程在單核和多核的運作方式、共享內(nèi)存模型、Fork/Join并行框架及常用編程指令；次節(jié)對基于CPU多線程下的任務(wù)劃分、數(shù)據(jù)競爭及程序設(shè)計問題進(jìn)行探討；末節(jié)應(yīng)用于WEP-L模型產(chǎn)流模塊，對設(shè)計的OpenMP并行算法進(jìn)行測試，分析模型的并行性能。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]基于WEP模型的高原寒區(qū)凍土水循環(huán)模擬研究[D]. 劉揚李.華北水利水電大學(xué) 2019
[2]面向柵格化分布式水文模擬的并行調(diào)度方法研究[D]. 胡鵬輝.南昌大學(xué) 2017
[3]基于CUDA的水文模型并行算法研究[D]. 張濤.電子科技大學(xué) 2015
[4]基于OpenMP的多核多線程負(fù)載均衡調(diào)度策略研究[D]. 李滋田.西安工業(yè)大學(xué) 2014
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