地球系统模式耦合方法研究

Coupler is a kernel component of earth system model. It embodies the interaction among multiple layers of earth system. It is essential for the modularization and parallel integral in earth system model and also the kernel platform for the cooperation of experts in different component models. Currently, there is no china-made coupler, making us have to use the couplers developed by Europe and USA. Although these couplers have been developed for many years and widely used, they have many drawbacks in high-precision multidimensional remapping, sea-land distribution procession and software architecture..In this project, we will research on high-precision multidimensional interpolation, in order to make interpolation algorithms improve the precision, achieve grid commonality and keep conservation at the same time. We will also research on sea-land distribution procession, to improve the corresponding precision and keep conservation at the same time. We believe that the research results of this project will both increase functions of coupler and reduce uncertainty in model coupling, which will enable our country to develop powerful and user-friendly 3D flux coupler in near future.

耦合器是地球系统模式的核心部件之一。在科学上，它充分体现地球系统多圈层间的相互作用；在技术上，它是地球系统模式模块化与并行积分的需要，是各分量模式专家分工合作的关键平台。目前我国还没有成熟的耦合器，只能引进欧美的耦合器。虽然这些耦合器已发展多年并使用较为广泛，但它们在高精度多维插值和海陆分布处理等方面存在诸多不足。此外，它们的结构相对落后。本项目将联合地球科学与计算机科学的专业人员，针对现有耦合器的诸多不足，面向复杂地球系统模式的发展，研究高精度多维插值、海陆分布处理和耦合器结构，在保证守恒性前提下提高插值精度（至少达到二阶精度），实现插值的网格通用性与多维插值，在保证守恒性前提下提高海陆分布处理的精度，以在增加耦合器功能的同时减少模式耦合过程的不确定性，为我国研制、应用与发展用户友好且耦合功能强大的三维通量耦合器、赶上甚至超过美国和法国等发达国家水平奠定基础。

耦合器是地球系统模式的核心部件之一，其连接多个分量模式以构成地球系统模式、实现分量模式间并行计算，并控制整个地球系统模式积分。在国际上耦合器最早于1990年前后，美国和法国等发达国家长期研制发展了多个耦合器。在本项目申请时，我国没有自主研发的耦合器，地球系统模式发展主要依赖于国外耦合器。在这一背景下，本项目力图研究通用多维插值、模块化耦合器结构等关键耦合技术，并尝试研制我国首个自主耦合器，为我国研制、应用与发展用户友好且耦合功能强大的三维通量耦合器、赶上甚至超过美国和法国等发达国家水平奠定坚实基础。.本项目完成的主要研究内容包括通用多维插值方法、模块化耦合器结构、高效数据传输方法和可用于自动软件测试的测试方法。本项目完成了一系列成果，具体包括：1）自主研制了通用多维插值软件CoR1，其中设计了多维网格的通用表示、研制了多个二维插值算法的通用实现、研制了一维插值算法、设计了三维插值方法；2）自主研制了我国首个地球系统模式耦合器C-Coupler1，其是当前世界上为数不多的能真正进行三维耦合的耦合器，其中设计了全新的耦合模式架构和耦合器的模块化结构；3）数据传输是耦合器最基本的功能，针对已应用多年的P2P数据传输库并行可扩展性差的问题，提出了蝴蝶数据传输库并研制了自适应数据传输库，明显提高了数据传输的性能；4）提出了基于二进制一致编译设置集的软件测试方法，这个方法具有对耦合器及地球系统模式的通用性，有很好的应用潜力。.基于上述研究成果，项目组以第一资助发表了SCI论文4篇。上述研究成果不仅实现了我国耦合器从无到有的突破，还使得我国在耦合技术领域的创新得到了国际同行的了解和认可。项目所形成的软件CoR1和C-Coupler1已经在国内相关单位应用起来。自适应数据传输库将在C-Coupler的后续版本中应用起来。华为公司编译器小组对项目组所提出的二进制一致编译设置集的软件测试方法很感兴趣，这一测试方法有望应用于他们编译器研发过程中的软件测试。