国家超级计算无锡中心

基于国产神威超级计算机的高分辨率地球系统模式研发取得新进展

2023-05-18 09:54

引言

近日，中国海洋大学的张绍晴教授、吴立新院士和高阳教授团队，联合清华大学/国家超级计算无锡中心徐世明副教授、付昊桓教授及刘钊高级工程师，并与中国科技大学等多家单位院所合作，通过引进消化、吸收发展的技术路线，依托最新研制的神威系列超级计算机，改进通用地球系统模式的动力框架和并行算法，成功研发了分辨率高达大气5公里（也包括12和9公里）、海洋3公里（也包括15、10和5公里）的系列耦合地球系统模式。研究成果以“Toward Earth system modeling with resolved clouds and ocean submesoscales on heterogeneous many-core HPCs”为题在线发表在National Science Review（IF=23.178），张绍晴、徐世明、付昊桓、吴立新、刘钊及高阳为共同通讯作者。

随着超级计算机的迅猛发展，地球系统模式在地球科学领域起着越来越重要的作用。地球系统模式将地球表面的海洋大气陆面海冰等，化分成微小的流体单元，根据地球流体的动力学和热力学方程，加上大气化学及海洋生物地球化学过程，计算每一个流体单元的质量和能量收支，从而能在计算机里模拟地球流体及地球生态环境等自然地球系统的演变。地球系统模式是一整套数据和计算机代码集，一旦与实际观测系统相结合，便能从当前的状态出发所获得的对未来状态演变的模拟，形成对未来人类生存环境状态的预报预测。建模过程中化分流体单元的大小，即分辨率，直接决定了模式模拟现实世界的精度，为了更加精准地研究复杂天气现象和极端气候气象事件的发生机理，需要研发能对现实世界模拟精度更高的公里尺度地球系统模式。高分辨率地球系统模式不仅是流体运动机理的基础科学成果应用出口，也是为环境安全保障和社会经济建设的基础应用平台，更是整合观测分析和理论研究成果、推动地球科学学科发展的科研平台。

联合科研团队基于我国自主研制的“神威”异构众核超算，针对传统海洋三级网格过渡带不连续的问题，研发了格距可连续变化的新型三级海洋格点体系，该网格使公里级高分辨率耦合模式成为可能，如图1所示。同时，通过发展符合超高分辨率地球系统模式规律的计算方案，科研团队解决了高分辨率耦合场景下积分不稳定性的问题。科研团队开展了一系列数值模拟实验，证明了本项目研究成果高分辨率地球系统模式能更加精确地描述海洋中的亚中尺度活动和大气中的积云活动，改善极区海冰流变的模拟效果，改进热带气旋和涡流相互作用的模拟，从而抓住大气海洋中的主要极端天气气候现象，如图2、3所示。

图1| 左：经向格距不连续的传统三级网格格点；右：格距连续演变、适合高分辨率模式持续发展的新型三级网格格点

图2 | 15、10和3公里分辨率海洋模式模拟的中尺度和亚中尺度涡旋统计

图4 25公里大气和10公里海洋（25v10）及5公里大气和3公里海洋（5v3）分辨率地球系统模式模拟的热带气旋结构.png

图3 | 25公里大气和10公里海洋（25v10）及5公里大气和3公里海洋（5v3）分辨率地球系统模式模拟的热带气旋结构

国家超级计算无锡中心高性能计算技术研究团队作为项目成员，在本项目中主要承担了面向国产“神威”架构超级计算机对地球系统模式完整代码的移植重构与优化设计等任务，在保证科学结果贯穿始终的准确性验证前提下，设计并实现了系统且高效的模式性能优化方案，完成了对计算、I/O、通信等模块的代码重构，保障地球系统模式长时间稳定、高效地运行，取得了满足实际应用意义的数据成果。

在此基础上，高性能计算技术研究团队探索新的技术路线，突破了地球系统模式在国产众核架构上的扩展性瓶颈，将地球系统模式分辨率进一步提升到5公里大气+3公里海洋（5V3），并构建了分辨率大气5/9/12公里、海洋3/5/10/15公里的系列耦合地球系统模式，完成了月尺度以上的稳定性运行试验，为领域科学家提供了一套系统性的模拟工具，从而更好地支持更高分辨率、更复杂的地球系统模式的运行与发展。