[論文レビュー] Recent progress and review of Physics Dynamics Coupling in geophysical models

Markus Groß, Almut Gaßmann+20 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 72被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、大気および海洋系の地球物理学的流体モデルにおける物理-動力学結合分野の最先端技術をレビューし、解像度のある流体力学と小スケールパラメータ化の統合に焦点を当てている。現在の結合手法を分析し、モデルの複雑化と変化する計算アーキテクチャに起因する未解決の課題を特定し、今後の研究における主要な未解決問題を提示している。

ABSTRACT

Geophysical models of the atmosphere and ocean invariably involve parameterizations. These represent two distinct areas: a) Subgrid processes which the model cannot (yet) resolve, due to its discrete resolution, and b) sources in the equation, due to radiation for example. Hence coupling between these physics parameterizations and the resolved fluid dynamics and also between the dynamics of the different fluids in the system (air and water) is necessary. This coupling is an important aspect of geophysical models. However, often model development is strictly segregated into either physics or dynamics. Hence, this area has many more unanswered questions than in-depth understanding. Furthermore, recent developments in the design of dynamical cores (e.g. significant increase of resolution, move to non-hydrostatic equation sets etc), extended process physics (e.g. prognostic micro physics, 3D turbulence, non-vertical radiation etc) and predicted future changes of the computational infrastructure (e.g. Exascale with its need for task parallelism, data locality and asynchronous time stepping for example) is adding even more complexity and new questions. This paper reviews the state-of-the-art of the physics-dynamics coupling in geophysical models, surveys the analysis techniques, and points out the open questions in this research field.

研究の動機と目的

• 大気および海洋モデルにおける物理-動力学結合の現状を評価すること。
• モデルの複雑化と解像度の向上が進んでも、理解の上での重要なギャップを特定すること。
• エクサスケールコンピューティングや非水圧平衡動力学といった新興の計算トレンドが、結合設計に与える影響を検討すること。
• 結合の正確性と整合性を評価するために用いられる解析的手法を調査すること。
• 今後のモデル開発に向けた物理-動力学相互作用における未解決の研究課題を強調すること。

提案手法

• 地球物理モデルにおける物理-動力学結合に関する査読付き論文の体系的レビュー。
• 物理的プロセス（例：放射、微小物理学、乱流）および動力学フレームワーク（例：水圧平衡対非水圧平衡、グリッドタイプ）に基づいた結合アプローチの分類。
• パラメータ化された物理と解像度のある動力学を結合するために用いられる数値手法の分析、時間刻み戦略およびデータ転送方式を含む。
• 結合の正確性と一貫性を評価するために用いられる診断および診断検証技術の評価。
• 解像度の向上、予測型物理、異種計算ワークロードに起因する課題の統合的分析。
• タスク並列処理、データローカリティ、非同期時間刻みなどのアーキテクチャ的制約が結合設計に与える影響の特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の物理-動力学結合スキームは、小スケールパラメータ化と解像度のある流体力学の間の相互作用をどのように処理しているか？
• RQ2 特に高解像度または非水圧平衡条件下において、物理-動力学結合における主な不安定性や不正確さの原因は何か？
• RQ3 エクサスケールアーキテクチャなどの新興計算パラダイムは、従来の結合アプローチにどのような挑戦をもたらすか？
• RQ4 特にマルチフラッド系において、大気および海洋動力学間の結合に関する主要な未解決の問題は何か？
• RQ5 3次元乱流や非垂直放射といった高度な物理をサポートするために、結合手法をどのように改善できるか？

主な発見

• 物理-動力学結合は、モデルの正確性において中心的役割を果たしているが、依然として未発達な分野のままである。
• 物理と動力学のチームがしばしば分離して開発が行われており、結合効果の統合と理解が不十分である。
• 動力学コアの最近の進展（例：解像度の向上、非水圧平衡形式）は、結合の安定性と正確性に対する新たな課題を生じさせている。
• 予測型微小物理学や3次元乱流を含む拡張されたプロセス物理学は、従来の診断型パラメータ化よりも、より洗練された結合メカニズムを必要としている。
• 特にエクサスケールシステムを含む今後の計算インfraストラクチャは、タスク並列処理、データローカリティ、非同期時間刻みを強調する新しい結合戦略を必要としている。
• 複雑で高精度なモデル設定下での長期的安定性、保存性、誤差伝搬に関する顕著な未解決の課題が残っている。