近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在新一代神威超級計(jì)算機(jī)上，首次實(shí)現(xiàn)了長達(dá)7天的全球3公里空間分辨率大氣物理-化學(xué)全耦合數(shù)值模擬試驗(yàn)，或?qū)@著改善極端天氣事件預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

全球大氣3公里空間分辨率的大規(guī)模并行模擬效率示意圖，圖片來自論文

近年來，頻繁發(fā)生的極端和高影響天氣及空氣污染事件，如暴雨、暴雪、高溫、干旱、雷暴、臺風(fēng)、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等，不僅對人民生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響，甚至造成不可估量的生命和財(cái)產(chǎn)損失。大氣數(shù)值模擬是研究和預(yù)測此類災(zāi)害性天氣事件的關(guān)鍵手段。

盡管近幾十年來，大氣數(shù)值模式得到了快速發(fā)展，但目前仍存在著較大的預(yù)報(bào)偏差。由于大氣系統(tǒng)中包含了不同時(shí)空尺度過程以及它們之間的相互作用，因此為了提高數(shù)值預(yù)報(bào)能力，模式就需要具備精細(xì)的時(shí)空分辨率。

此外，大氣數(shù)值模式還需要包括許多復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，來反映人類活動和全球城市化的高度發(fā)展對大氣系統(tǒng)產(chǎn)生的重要影響。但構(gòu)建這樣的大氣數(shù)值模式會帶來模擬計(jì)算量的指數(shù)增長和極大規(guī)模的數(shù)據(jù)讀寫需求。因此，包含大氣成份演變過程的全球高分辨率大氣數(shù)值模式仍是一項(xiàng)難以突破的挑戰(zhàn)。

此次，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院趙純教授課題組、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院安虹教授課題組，以及國家氣象局、國家超級計(jì)算無錫中心、北京大學(xué)、清華大學(xué)等研究人員，首次在新一代神威超級計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了長達(dá)7天的全球3公里空間分辨率大氣物理-化學(xué)全耦合數(shù)值模擬試驗(yàn)，全面展現(xiàn)了新一代國產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可用性，以及在構(gòu)建全球高分辨率大氣模擬系統(tǒng)的重大應(yīng)用前景。研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)。

全球高分辨率大氣數(shù)值模式iAMAS 大規(guī)模并行優(yōu)化和模擬，圖片來自中科大

神威系列超級計(jì)算機(jī)是我國自主研發(fā)的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。新一代神威超級計(jì)算機(jī)擁有強(qiáng)大計(jì)算和系統(tǒng)通信能力，這來自于我國自主設(shè)計(jì)的申威高性能計(jì)算和通信芯片。其中，還包括豐富的面向高性能計(jì)算(HPC)、人工智能(AI)和大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用場景的大規(guī)模并行計(jì)算軟件開發(fā)環(huán)境和工具，為重大應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算模型創(chuàng)新與實(shí)現(xiàn)提供了系統(tǒng)軟件支撐，使多尺度、高分辨率、長時(shí)間、高精度的超大規(guī)模模擬成為可能，特別是對多學(xué)科、多物理、多時(shí)空分辨率的耦合模擬能力。

前述研究基于新一代國產(chǎn)神威超算平臺，研發(fā)了包含大氣成份演變過程的全球高分辨率非靜力平衡大氣數(shù)值模式iAMAS，在大規(guī)模數(shù)據(jù)讀寫速度、并行計(jì)算效率、規(guī)模可擴(kuò)展性、運(yùn)行時(shí)效性等多個(gè)方面填補(bǔ)了國內(nèi)外大氣數(shù)值模擬的空白。

國產(chǎn)神威超級計(jì)算機(jī)

團(tuán)隊(duì)根據(jù)新一代神威超級計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過重構(gòu)數(shù)據(jù)讀寫策略充分利用了系統(tǒng)提供的讀寫帶寬、釋放文件系統(tǒng)性能，解決嚴(yán)重影響iAMAS模擬可擴(kuò)展性的讀寫瓶頸。同時(shí)，全面優(yōu)化從系統(tǒng)到芯片各層次的并行計(jì)算方法，充分發(fā)揮新一代申威異構(gòu)眾核處理器芯片架構(gòu)的計(jì)算特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程級、線程級和數(shù)據(jù)級三個(gè)層次的并行，大幅提升了大氣物理-化學(xué)全耦合數(shù)值模擬的并行計(jì)算效率。

最終，團(tuán)隊(duì)將數(shù)值模擬的試驗(yàn)規(guī)模擴(kuò)展到近4000萬處理器核（約60萬核組）時(shí)，并行效率仍保持在76.2%，在頻繁的大規(guī)模數(shù)據(jù)讀寫的情景下實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)模擬0.82天的速度，首次實(shí)現(xiàn)了全球3公里大氣物理-氣溶膠耦合的高效數(shù)值模擬試驗(yàn)。

這項(xiàng)研究初步揭示了全球高分辨率大氣物理-化學(xué)耦合模擬可以顯著改善極端天氣事件預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，展現(xiàn)出高空間分辨率和耦合化學(xué)反饋效應(yīng)對于數(shù)值天氣和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的重要意義，對預(yù)報(bào)極端、高影響天氣和大氣污染事件具有重要應(yīng)用前景。

未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化前述大氣模式，提高其計(jì)算效率和穩(wěn)定性，并將其耦合進(jìn)高分辨率地球系統(tǒng)模式，從而開展長期的高分辨率氣候模擬試驗(yàn)，探究氣候變化規(guī)律及對人類的影響，將有助于實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略。

圖片來自NASA

此外，全球高分辨率大氣物理-化學(xué)耦合模擬同樣適用于研究行星大氣成份的演變規(guī)律。團(tuán)隊(duì)也將在前述研究基礎(chǔ)上，發(fā)展行星高分辨率大氣模式，有助于我國的深空探測計(jì)劃和科學(xué)研究。

論文共同通訊作者為中科大教授趙純和安虹，共同第一作者為碩士研究生顧俊、方濤，博士研究生馮家望、郝曉宇。前述研究獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流工程”研究基金、中科院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃等項(xiàng)目的共同資助。同時(shí)，青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超算中心、國家超級計(jì)算無錫中心、國家超級計(jì)算濟(jì)南中心、國家超級計(jì)算廣州中心等單位提供了超算資源的支持。