專利名稱：天氣雷達數(shù)據(jù)的多核并行計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣象雷達數(shù)據(jù)處理方法，尤其是一種利用多核計算機實時處理雷 達掃描數(shù)據(jù)的方法，具體地說是一種天氣雷達數(shù)據(jù)的多核并行計算方法。
背景技術：
眾所周知，計算機CPU在單核心的的頻率達到近乎極限以后，CPU進入多核時代。 所謂的多核是指在一枚處理器中集成兩個或者多個完整的計算引擎。多核編程，很重要的一點就是要將多個CPU核同時運轉起來，提高CPU的利用率， 也就是要提高多核CPU的加速比系數(shù)。但是并不是任何時候都可以同時將多個核運轉起來，比如一些不能并行化執(zhí)行 的代碼，特別是使用了鎖的代碼，它的執(zhí)行是串行化的，無法同時利用多個核，還有負載平 衡問題，多個任務無法劃分得很均勻，導致實際情況中有些任務先運行完，有些任務后運行 完，先運行完的CPU核就處于空閑狀態(tài)。多核計算的運用場合是針對大量數(shù)據(jù)并需要針對大量的數(shù)據(jù)需要復雜的計算的 情況，在數(shù)據(jù)量很大且對數(shù)據(jù)的運算量很大的氣象領域極為適用。在中尺度氣象領域，由于中尺度現(xiàn)象無論在空間上還是在時間上的分辨率都很 高，要求業(yè)務數(shù)據(jù)預報模式或者數(shù)值研究模式在空間上和時間上的分辨率盡量高，模式運 行的時間盡量短。因此對計算機的計算速度要求很高，多核并行計算是一條很好的解決方 案。新一代天氣雷達具有很高的時間和空間分辨率，尤其雙線偏振雷達，所能探測到 的數(shù)據(jù)量數(shù)倍于常規(guī)的多普勒雷達，對超大規(guī)模的天氣雷達數(shù)據(jù)的處理，計算的復雜程度 比較大，計算的時間開銷顯著。因此，對于這種大規(guī)模數(shù)據(jù)進行并行處理就顯得十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前的雷達數(shù)據(jù)處理過程中由于待處理數(shù)據(jù)的關聯(lián)性較強， 造成各CPU核運行的忙閑不均，時間開銷大的問題，發(fā)明一種先將雷達數(shù)據(jù)格點化成互不 相關的數(shù)據(jù)送入各自的CPU核獨立運行，最后進行合成得到所需相關氣象數(shù)據(jù)的天氣雷達 數(shù)據(jù)的多核并行計算方法。本發(fā)明的技術方案是一種天氣雷達數(shù)據(jù)的多核并行計算方法，其特征是它包括以下步驟首先，將探測到的天氣雷達觀測數(shù)據(jù)用球面坐標系進行存儲；其次，將存儲的球面坐標系數(shù)據(jù)進行格點化處理，也就是把球面坐標系下的空間 分辨率不均勻的雷達數(shù)據(jù)插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標下形成空間分辨率均勻的互不相關的 網(wǎng)格點數(shù)據(jù)；第三，利用OPENMP程序將得到的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)在各自線程的控制下進入對應的CPU 核中運行即可得到相應的氣象數(shù)據(jù)；
最后，將各CPU核計算所得數(shù)據(jù)進行合成即可得到所需的氣象數(shù)據(jù)。對球面坐標系數(shù)據(jù)進行格點化時，首先利用笛卡爾坐標系下的網(wǎng)格點的高度、格 點位置計算出球坐標系中對應仰角、方位和斜距，然后根據(jù)計算出的仰角、方位、斜距在雷 達球坐標系中的位置，利用內(nèi)插方法給出該網(wǎng)格點的賦值，得到該網(wǎng)格點上的分析值；然后 將球坐標系下的雷達數(shù)據(jù)插值到笛卡爾坐標系下的細網(wǎng)格上時，用徑向和方位上的最近鄰 居發(fā)和垂直線性內(nèi)插法(nearest neighbor on range-azimuth planes combined with a linearinterpolation in vertieal direction，簡稱NVI)方法即可得到空間連續(xù)的格點 數(shù)據(jù)。所述的NVI方法是設定(r，a, e)是某一網(wǎng)格點在雷達球坐標系中的位置，r為 斜距，a為方位角，e為仰角。e位于其上下相鄰仰角el和e2之間。(r，a, θι)和(r，a, e2) 分別是經(jīng)過該網(wǎng)格點的垂線(仰角低于20°時，垂直方向可用仰角方向近似)與其上下仰 角波束軸線的交點，那么該網(wǎng)格點的分析值產(chǎn)&，⑴?？梢杂眠@兩點的分析fa(r，a，ei)和 fa(r, a, e2)進行垂直線性內(nèi)插得到，即fa(r, a, e》=[welfa(r, a, ei)+we2fa(r, a, e2) ] · (wel+we2)其中wel和we2為內(nèi)插權重wel = (e2_e) / Cei^e1)we2 = (e-e》/ (e^e^fa(r, a, θι)和fa(r，a, e2)為最靠近點(r，a, θι)和(r，a, e2)的雷達距離庫的觀 測值，它們的獲取使用了徑向和方位上的最近鄰居法。IV1, ri; ri+1為相鄰距離庫，a^, ai; ai+1為相鄰方位角，由雷達掃描時半功率線和半功率庫所圍成的梯形區(qū)是距離庫A的影響 區(qū)，在徑向、方位方向上落在這個梯形區(qū)域的點(r，a)得分析值產(chǎn)0·，a)都用距離庫巧的 觀測值f° (I^ai)來賦值，即fa(r，a) = fO^ai)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過共享內(nèi)存并行OpenMP多核并行技術，實現(xiàn)了對天氣雷達回波的單雷 達二次格點產(chǎn)品和多雷達拼圖格點產(chǎn)品計算和生成，并通過對本算法模塊的獨立封裝，具 有極強的可移植性和擴展性。進行雷達數(shù)據(jù)格點化計算的時候，在初始化后每一個仰角上的計算量比較小， OpenMP自身的調度會消耗一定的時間，所以在對每個仰角進行計算的時候，由于計算量小， 使用OpenMP的優(yōu)勢并不明顯，有時候甚至由于調度和CPU被其他進程占用的原因，導致并 行化后的效率不升反降，例如第6個仰角和第8個仰角，如表1所示。而初始化的時候，數(shù) 據(jù)的計算量約是九個仰角計算量的和，并行化調度的時間占用整個計算過程的時間的比重 很小，此時，OpenMP在雙核CPU上的計算優(yōu)勢則凸現(xiàn)了出來。表IOpenMP并行化算法與常規(guī)算法的對比
權利要求
1.一種天氣雷達數(shù)據(jù)的多核并行計算方法，其特征是它包括以下步驟 首先，將探測到的天氣雷達觀測數(shù)據(jù)用球面坐標系進行存儲；其次，將存儲的球面坐標系數(shù)據(jù)進行格點化處理，也就是把球面坐標系下的空間分辨 率不均勻的雷達數(shù)據(jù)插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標下形成空間分辨率均勻的互不相關的網(wǎng)格 點數(shù)據(jù)；第三，利用OPENMP程序將得到的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)在各自線程的控制下進入對應的CPU核中 運行即可得到相應的氣象數(shù)據(jù)；最后，將各CPU核計算所得數(shù)據(jù)進行合成即可得到所需的氣象數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的天氣雷達數(shù)據(jù)的多核并行計算方法，其特征是對球面坐標系 數(shù)據(jù)進行格點化時，首先利用笛卡爾坐標系下的網(wǎng)格點的高度、格點位置計算出球坐標系 中對應仰角、方位和斜距，然后根據(jù)計算出的仰角、方位、斜距在雷達球坐標系中的位置，利 用內(nèi)插方法給出該網(wǎng)格點的賦值，得到該網(wǎng)格點上的分析值；然后將球坐標系下的雷達數(shù) 據(jù)插值到笛卡爾坐標系下的細網(wǎng)格上時，用NVI方法即可得到空間連續(xù)的格點數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的天氣雷達數(shù)據(jù)的多核并行計算方法，其特征是所述的NVI方 法是設定(r，a，e)是某一網(wǎng)格點在雷達球坐標系中的位置，r為斜距，a為方位角，e為仰 角。e位于其上下相鄰仰角el和e2之間。(r，a, θι)和(r，a, e2)分別是經(jīng)過該網(wǎng)格點的 垂線(仰角低于20°時，垂直方向可用仰角方向近似)與其上下仰角波束軸線的交點，那么 該網(wǎng)格點的分析值fa(r，a, e)可以用這兩點的分析fa(r，a, θι)和fa(r，a, e2)進行垂直線 性內(nèi)插得到，即fa(r, a, e^ = [welfa(r, a, e^+w^f^r, a, e2) ] · (wel+we2) 其中和we2為內(nèi)插權重 wel = (e2_e) / ^e2-G1) we2 = (e-eD/^-e》fa(r, a, θι)和fa(r，a, e2)為最靠近點(r，a, θι)和(r，a, e2)的雷達距離庫的觀測值， 它們的獲取使用了徑向和方位上的最近鄰居法。IV1，ri; ri+1為相鄰距離庫，a^, ai; ai+1為 相鄰方位角，由雷達掃描時半功率線和半功率庫所圍成的梯形區(qū)是距離庫A的影響區(qū)，在 徑向、方位方向上落在這個梯形區(qū)域的點(r，a)得分析值產(chǎn)(1·，。都用距離庫A的觀測值 F(I^ai)來賦值，即fa(r, a) = fO^ai)。
全文摘要
一種天氣雷達數(shù)據(jù)的多核并行計算方法，其特征是它包括以下步驟首先，將探測到的天氣雷達觀測數(shù)據(jù)用球面坐標系進行存儲；其次，將存儲的球面坐標系數(shù)據(jù)進行格點化處理，也就是把球面坐標系下的空間分辨率不均勻的雷達數(shù)據(jù)插值到統(tǒng)一的笛卡爾坐標下形成空間分辨率均勻的互不相關的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)；第三，利用OPENMP程序將得到的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)在各自線程的控制下進入對應的CPU核中運行即可得到相應的氣象數(shù)據(jù)；最后，將各CPU核計算所得數(shù)據(jù)進行合成即可得到所需的氣象數(shù)據(jù)。本發(fā)明的多核并行技術可使CPU的最大使用率達到97％，充分使用了計算機的運算能力。提高氣象數(shù)據(jù)計算分析的實時性。
文檔編號G06F15/16GK102117227SQ20111005546
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權日2011年3月9日
發(fā)明者孫文正 申請人:南京恩瑞特實業(yè)有限公司