面向水文模拟的大规模多级并行参数率定框架

全婷 李强 聂宁明 田在荣

摘要：为了实现大尺度水文模拟中的参数率定，提出一种基于优化算法的大规模多级并行参数率定框架。首先利用MPI划分子通信域的技术，实现了多级并行处理框架，其次设计了基于对等模式的整体架构，以充分利用处理器资源，最后使用大量非阻塞式通信的方式优化了计算效率，减少了进程间等待。将该框架应用于HIMS水文模型的参数率定，试验结果表明，对等多级并行框架相对于主从并行框架具有更好的寻优效果，利用非阻塞式通信，在寻优效率上有所提升。该框架能够高效地利用大规模处理器且有效地缩短运行时间，提升了参数优化的整体效率，具有良好的扩展性。

关键词：水文模拟;大规模参数率定;对等式多级并行框架;非阻塞式通信;优化算法

中图分类号：TP338.6 文献标志码：A

文章编号：1006-1037（2021）03-0014-08

随着GIS/RS等高新技术的发展，分布式水文模型大量出现，如英国、丹麦和法国的水文工作者在1986年合作研發的MIKE-SHE模型[1]。此后，SWAT、IHDM等水文模型的出现，也验证了分布式大规模水文模拟实现的可行性。虽然国内水文模拟的发展起步较晚，但也涌现了HIMS（Hydroinformatic Modeling System）[2]、GBHM（Geomorphology-Based Hydrological Mode）[3]、新安江模型[4]以及EasyDHM（Easy Distributed Hydrological Model）[5]等分布式水文模型，在各流域模拟上展现了出色的模拟效果。分布式水文模型一般包含多个参数，其中大部分参数有明确的物理含义，能够根据实测的数据进行确定，但是在实际中仍然有很多参数需要通过率定获得。由于分布式水文模型需要率定的参数空间维度通常十几、二十维，高维参数空间搜索计算量巨大，传统搜索方式已经难以实施。……