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Real-time ensemble data assimilation for urban wind simulation using GPU supercomputers

Research Project

Project/Area Number 19K24359
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 1001:Information science, computer engineering, and related fields
Research InstitutionJapan Atomic Energy Agency

Principal Investigator

Hasegawa Yuta  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (10851016)

Project Period (FY) 2019-08-30 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords格子ボルツマン法 / 都市風況 / LES / アンサンブル計算 / LBM / GPU / アンサンブルデータ同化 / AMR
Outline of Research at the Start

建築物が密集する都市部における汚染物質拡散予報を実現するため、GPUで高速に計算できる格子ボルツマン法に基づく風況解析の実時間アンサンブルデータ同化手法を開発する。既往研究では都市部2km四方・1m解像度の実時間計算が達成されているが、計算には百台規模の並列計算を要している。アンサンブル計算に基づくデータ同化手法を導入するためには1ケースの計算規模を数GPU程度に抑える必要がある。本課題では、AMR法の高度化により要求GPU数を既往研究の10分の1以下まで低減するとともに、アンサンブルデータ同化手法を導入し、汚染物質の高精度拡散予測システムの実現を目指す。

Outline of Final Research Achievements

We proceeded the development towards the ensemble data assimilation for urban wind and pollutant dispersion with several meter resolution based on the lattice Boltzmann method. First, we implemented the ensemble calculation with MPI to systematically increase the size of ensembles into over 100. Using this code, we evaluated the ensemble statistics, and found the following: (1) The histogram of wind speed follows a Gaussian distribution, but the histogram of pollutant concentration does not show a Gaussian distribution, but a log-normal type distribution with values near zero appearing frequently. (2) Evaluation of the covariance of the wind speed showed that, the several meters-resolution urban wind simulation requires the data assimilation with the time-averaged values of wind speed rather than the instantaneous values.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

アンサンブルデータ同化は、気象庁の天気予報などで既に実用化された技術であるが、天気予報などの広域の計算で用いられる格子解像度は数100m~数kmである。一方で本研究では、都市部の局所風況を対象として、数mの解像度格子を用いている。このような高解像度格子では、従来見えなかった高周波・高波数の変動(乱流)が含まれるため、これまでのデータ同化手法を系統的に適用することができるかどうか自明ではなかった。本研究により、都市風況では、瞬時値は乱流の影響を強く受けるため、都市風況にデータ同化を適用するためには瞬時値の代わりに時間平均値を同化する手法を新たに開発する必要があることが明らかになった。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Ensemble wind simulations using a mesh-refined lattice Boltzmann method on GPU-accelerated systems2020

    • Author(s)
      Y. Hasegawa, N. Onodera, Y. Idomura
    • Journal Title

      Proc. SNA+MC2020

      Volume: --- Pages: 236-242

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 局所細分化格子ボルツマン法による都市風況解析におけるアンサンブル計算のMPI実装2021

    • Author(s)
      長谷川雄太、小野寺直幸、井戸村泰宏
    • Organizer
      原子力学会2021年春の年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 局所細分化格子ボルツマン法による都市部を対象とした局所風況解析のアンサンブル計算に向けた省メモリ実装2020

    • Author(s)
      長谷川雄太、小野寺直幸、井戸村泰宏
    • Organizer
      日本原子力学会2020年春の年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ensemble simulation for micro-meteorological condition using locally-mesh refined lattice Boltzmann method2020

    • Author(s)
      Y. Hasegawa, N. Onodera, Y. Idomura
    • Organizer
      COMPSAFE2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 局所細分化格子ボルツマン法を用いたアンサンブル風況解析2020

    • Author(s)
      長谷川雄太、小野寺直幸、井戸村泰宏
    • Organizer
      第25回計算工学講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 格子ボルツマン法のアンサンブル計算に基づく汚染物質拡散解析2020

    • Author(s)
      長谷川雄太、小野寺直幸、井戸村泰宏
    • Organizer
      第34回数値流体力学シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 局所細分化格子ボルツマン法による都市部を対象とした局所風況解析のアンサンブル計算に向けた省メモリ実装2020

    • Author(s)
      長谷川雄太,小野寺直幸,井戸村泰宏
    • Organizer
      原子力学会2020年春の年会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Enhancing Intra-node Multi-GPU Stencil Calculations on DGX-2 using Concurrent-Addressing with Unified Memory2020

    • Author(s)
      Yuta HASEGAWA, Naoyuki ONODERA, Yaushiro IDOMURA
    • Organizer
      GPU Technology Conference (GTC) Digital
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-09-03   Modified: 2022-01-27  

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