水文地质与水文工程学报

探索域划分对并行分布式水文模型模拟效率的作用

穆克什·库马尔和克里斯托弗·J·达菲

探索域划分对并行分布式水文模型模拟效率的作用

由于流体动力学、复杂强迫和异构参数场的综合特性，流域和河流盆地的空间分布水文模型是数据和计算密集型的。多处理器集群上的并行计算有助于将这些模型应用于精细的时间和空间分辨率以及大型问题域。值得注意的是，并行模拟的计算效率关键取决于在多处理器环境中数据划分和分布的效率以及处理器之间共享信息的方式。虽然存在许多数据分区算法，并且在计算机科学文献中已经进行了广泛的研究，但尚未详细阐明水文模型结构对数据分区的作用。此外，计算负载平衡和处理器间通信对水文模型并行计算效率的相对作用尚不清楚。以 PIHM水文模型中使用的非结构化域离散化方案为例，本文首先提出了一种将水文因素纳入最佳域分区算法的通用方法。然后使用这些分区探索计算负载平衡和处理器间通信对并行效率的独立作用。结果证实，在最小化处理器间通信并平均分配计算负载的分区上进行的并行模拟是最有效的。更重要的是，观察到处理器之间的负载平衡对并行效率的控制比最小化处理器间通信更为敏感。对不同分区配置的并行代码的效率和可扩展性的进一步分析揭示了并行效率与理论指标（例如负载平衡率和通信与计算比）之间的直接对应关系。结果表明，在执行计算密集型并行模拟之前，可以使用理论指标来选择最佳分区。该研究是对计算和通信对多种分辨率并行分布式水文模型效率影响的概念验证评估。