A large-scale atmospheric chemistry-transport model for massively parallel architectures
Un modèle de transport et de chimie atmosphérique à grande échelle adapté aux calculateurs massivement parallèles
Résumé
We present in this thesis the development of a large-scale bidimensional atmospheric transport scheme designed for parallel architectures with scalability in mind. The current version, named Pangolin, contains a bi-dimensional advection and a simple linear chemistry scheme for stratospheric ozone and will serve as a basis for a future CTM. For mass-preservation, a van Leer finite-volume scheme was chosen for advection and extended to 2D with operator splitting. To ensure mass preservation, winds are corrected in a preprocessing step. We aim at addressing the "pole issue" of the traditional regular latitude-longitude by presenting a new quasi-area-preserving grid mapping the sphere uniformly. The parallelization of the model is based on the advection operator and a custom domain-decomposition algorithm is presented here to attain load-balancing in a message-passing context. To run efficiently on current and future parallel architectures, algebraic features of the grid are exploited in the advection scheme and parallelization algorithm to favor the cheaper costs of flops versus data movement. The model is validated on algebraic test cases and compared to other state-of-the-art schemes using a recent benchmark. Pangolin is also compared to the CTM of Météo-France, MOCAGE, using a linear ozone scheme and isentropic coordinates.
Cette thèse présente un modèle bi-dimensionnel pour le transport atmosphérique à grande échelle, nommé Pangolin, conçu pour passer à l'échelle sur les achitectures parallèles. La version actuelle comporte une advection 2D ainsi qu'un schéma linéaire de chimie et servira de base pour un modèle de chimie-transport (MCT). Pour obtenir la conservation de la masse, un schéma en volume-finis de type van Leer a été retenu pour l'advection et étendu au cas 2D en utilisant des opérateurs alternés. La conservation de la masse est assurée en corrigeant les vents en amont. Nous proposons une solution au problème "des pôles" de la grille régulière latitude-longitude grâce à une nouvelle grille préservant approximativement les aires des cellules et couvrant la sphère uniformément. La parallélisation du modèle se base sur l'advection et utilise un algorithme de décomposition de domaines spécialement adapté à la grille. Cela permet d'obtenir l'équilibrage de la charge de calcul avec MPI, une librairie d'échanges de messages. Pour que les performances soient à la hauteur sur les architectures parallèles actuelles et futures, les propriétés analytiques de la grille sont exploitées pour le schéma d'advection et la parallélisation en privilégiant le moindre coût des flops par rapport aux mouvement de données. Le modèle est validé sur des cas tests analytiques et comparé à des schémas de transport à l'aide d'un comparatif récemment publié. Pangolin est aussi comparé au MCT de Météo-France via un schéma linéaire d'ozone et l'utilisation de coordonnées isentropes.
