LFRic: meeting the challenges of scalability and performance portability in weather and climate models

This paper describes LFRic: the new weather and climate modelling system being developed by the UK Met Office to replace the existing Unified Model in preparation for exascale computing in the 2020s. LFRic uses the GungHo dynamical core and runs on a semi-structured cubed-sphere mesh. The design of the supporting infrastructure follows object-oriented principles to facilitate modularity and the use of external libraries where possible. In particular, a `separation of concerns' between the science code and parallel code is imposed to promote performance portability. An application called PSyclone, developed at the STFC Hartree centre, can generate the parallel code enabling deployment of a single source science code onto different machine architectures. This paper provides an overview of the scientific requirement, the design of the software infrastructure, and examples of PSyclone usage. Preliminary performance results show strong scaling and an indication that hybrid MPI/OpenMP performs better than pure MPI

A novel entropy stable discontinuous Galerkin spectral element method for the shallow water equations on GPUs

In dieser Arbeit präsentieren wir ein neues Discontinuous Galerkin Spektrale Elemente Verfahren hoher Ordnung zur Approximation der nicht-linearen Flachwassergleichungen auf unstrukturierten, möglicherweise gekrümmten Gittern. Das Verfahren ist so konstruiert, dass es Entropie-stabil ist und die well-balanced Eigenschaft hat. Wir bezeichnen dieses Verfahren mit ESDGSEM. Das Verfahren wird anhand einer spezifischen alternativen Formulierung der Flachwassergleichungen konstruiert. Durch Umformulierung der Diskretisierung der alternativen Formulierung in ein Flux-Differencing Verfahren ist es uns möglich zu zeigen, dass das Verfahren konservativ ist, obwohl es nicht auf den Gleichungen in konservativer Form beruht. Durch Verwendung eines speziellen numerischen Flusses an den Elementkanten können wir außerdem zeigen, dass die Approximation die totale Energie als zusätzliche konservative Variable behandelt. Da die totale Energie eine Entropie-Funktion für die Flachwassergleichungen ist, ist das Verfahren somit Entropie-konservativ. Durch kontrolliertes Hinzufügen von numerischer Dissipation an den Elementkanten können wir garantieren, dass das Verfahren Entropie-stabil ist. Weiterhin zeigen wir, dass das Verfahren für eine spezielle Diskretisierung des Quellterms auch well-balanced ist. Wir führen künstliche Viskosität in das System der Flachwassergleichungen ein, um die Oszillationen im Falle von Schocks zu dämpfen. Außerdem erweitern wir das Entropie-stabile Verfahren um einen Positivitätslimiter, der nicht-negative Wasserhöhen garantiert. Wir zeigen, dass beide Erweiterungen die Entropie-Stabilität des Verfahrens beibehalten. Ebenfalls beweisen wir die Funktionalität des Positivitäts-limiters. Für die in dieser Arbeiten verwendeten Entropie-stabilen numerischen Flussfunktionen war dies zuvor nicht bekannt. Des Weiteren implementieren wir das ESDGSEM unter Verwendung von OCCA auf modernen Grafikkarten. Unsere Untersuchungen ergeben, dass das ESDGSEM hervorragend auf die Architektur moderner Grafikkarten passt. Trotz eines höheren erforderlichen Rechenaufwands im Vergleich zu herkömlichen DG-Verfahren ist für Polynomgrade von N<=7 kein Laufzeitunterschied festzustellen. Mit einer Reihe von numerischen Beispielen verifizieren wir die theoretischen Ergebnisse bezüglich Konvergenz und Konservatität. Außerdem zeigen wir die well-balanced Eigenschaft numerisch und testen die Robustheit des Verfahrens anhand einiger numerisch herausfordernder Tests. Diese beinhalten sowohl starke Schocks als auch Trockenflächen und benötigen somit zwingend die Erweiterungen des Verfahrens. Abschließend verwenden wir das entwickelte Verfahren, um den Tsunami im Indischen Ozean aus dem Jahr 2004 zu simulieren. Unsere Ergebnisse vergleichen wir dabei mit an der Küste Indiens aufgezeichneten Daten und beobachten gute Approximationen für die Ankunftszeiten des Tsunamis