电离层光电离和化学模式模型具有结构复杂,粒子种类繁多,物理化学过程复杂的特点。电离层计算具有数据规模大,时间复杂度高的特征。依据地球磁场坐标系划分网格的电离层计算理论为模型的并行计算研究提供了理论依据,同时GPGPU计算领域的兴起为电离层并行计算研究提供了计算平台。本论文利用CPU-GPU异构平台,结合CUDA高性能并行技术,研究电离层中光电离与化学反应模式。论文在光电离和化学反应并行计算模式的构建和优化方面的研究内容和成果如下:1)电离层光电离和化学反应模式的串行模型的实现和分析。在模型框架方面,选择偏心倾斜偶极坐标系模拟地球磁场坐标系,实现地理坐标系到偏心倾斜偶极坐标系的转换;分析光电离模式的日间模式和夜间模式的原理和数据结构,给出光电离模式的程序设计逻辑;分析离子反应和离子电子的复合过程,给出化学反应模式的求解过程。2)电离层光电离模式并行计算模型的构建和优化。主要利用CPU-GPU异构平台,设计CUDA高性能并行计算流程,构建电离层光电离并行计算模型。主要包括GPU上光电离变量和数据结构的设计、光电离函数分解和实现等过程。针对模型的数据存储结构、参数特性和线程尺寸结构使用Global Memory、Shared Memory、Block Size等策略进行优化,得到最终光电离模式的加速比为56.51。3)化学反应模式并行计算模型的构建和优化。主要利用CPU-GPU异构平台,设计CUDA高性能并行计算流程,构建电离层化学反应并行计算模型。根据化学方程在GPU上求解21种离子化学反应和7种电子离子复合反应,主要包括数据存储、GPU资源分配、化学反应过程程序设计等内容。在不同的数据规模下对化学反应并行计算模型的测试,平均加速比为63.8;利用Global Memory、Shared Memory、Block Size等优化策略在减少数组访问、减少寄存器资源消耗、平衡线程级并行和指令级并行等方面进行优化,优化后的加速比为82.23。相比于串行计算模型,光电离与化学反应并行模型极大地提高了运算的速度,解约了计算资源和设备成本,有益于更加精细的地球物理电离层领域复杂模型的应用研究。同时对相关的物理模型计算和复杂化学反应的计算有一定的借鉴意义。