中科大實現全球公里尺度大氣數值模擬

近日，中國科學技術大學在新一代神威超級計算機上，首次實現了長達7天的全球3公里空間分辨率大氣物理-化學全耦合數值模擬試驗，或將顯著改善極端天氣事件預報的準確性。

近年來，頻繁發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、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等，不僅對人民生產生活帶來嚴重影響，甚至造成不可估量的生命和財產損失。大氣數值模擬是研究和預測此類災害性天氣事件的關鍵手段。

盡管近幾十年來，大氣數值模式得到了快速發展，但目前仍存在著較大的預報偏差。由于大氣系統中包含了不同時空尺度過程以及它們之間的相互作用，因此為了提高數值預報能力，模式就需要具備精細的時空分辨率。

此外，大氣數值模式還需要包括許多復雜的物理和化學過程，來反映人類活動和全球城市化的高度發展對大氣系統產生的重要影響。但構建這樣的大氣數值模式會帶來模擬計算量的指數增長和極大規模的數據讀寫需求。因此，包含大氣成份演變過程的全球高分辨率大氣數值模式仍是一項難以突破的挑戰。

此次，中國科學技術大學地球和空間科學學院趙純教授課題組、計算機科學與技術學院安虹教授課題組，以及國家氣象局、國家超級計算無錫中心、北京大學、清華大學等研究人員，首次在新一代神威超級計算機上實現了長達7天的全球3公里空間分辨率大氣物理-化學全耦合數值模擬試驗，全面展現了新一代國產超級計算機軟硬件系統的可靠性、穩定性和可用性，以及在構建全球高分辨率大氣模擬系統的重大應用前景。研究成果在線發表于《科學通報》(Science Bulletin)。

神威系列超級計算機是我國自主研發的超級計算機系統。新一代神威超級計算機擁有強大計算和系統通信能力，這來自于我國自主設計的申威高性能計算和通信芯片。其中，還包括豐富的面向高性能計算(HPC)、人工智能(AI)和大數據融合應用場景的大規模并行計算軟件開發環境和工具，為重大應用領域的計算模型創新與實現提供了系統軟件支撐，使多尺度、高分辨率、長時間、高精度的超大規模模擬成為可能，特別是對多學科、多物理、多時空分辨率的耦合模擬能力。

前述研究基于新一代國產神威超算平臺，研發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值模式iAMAS，在大規模數據讀寫速度、并行計算效率、規模可擴展性、運行時效性等多個方面填補了國內外大氣數值模擬的空白。

團隊根據新一代神威超級計算機通信系統和文件系統的特點，通過重構數據讀寫策略充分利用了系統提供的讀寫帶寬、釋放文件系統性能，解決嚴重影響iAMAS模擬可擴展性的讀寫瓶頸。同時，全面優化從系統到芯片各層次的并行計算方法，充分發揮新一代申威異構眾核處理器芯片架構的計算特點，實現了進程級、線程級和數據級三個層次的并行，大幅提升了大氣物理-化學全耦合數值模擬的并行計算效率。

最終，團隊將數值模擬的試驗規模擴展到近4000萬處理器核（約60萬核組）時，并行效率仍保持在76.2%，在頻繁的大規模數據讀寫的情景下實現了每小時模擬0.82天的速度，首次實現了全球3公里大氣物理-氣溶膠耦合的高效數值模擬試驗。

這項研究初步揭示了全球高分辨率大氣物理-化學耦合模擬可以顯著改善極端天氣事件預報的準確性，展現出高空間分辨率和耦合化學反饋效應對于數值天氣和空氣質量預報的重要意義，對預報極端、高影響天氣和大氣污染事件具有重要應用前景。

未來，團隊計劃進一步優化前述大氣模式，提高其計算效率和穩定性，并將其耦合進高分辨率地球系統模式，從而開展長期的高分辨率氣候模擬試驗，探究氣候變化規律及對人類的影響，將有助于實現我國“雙碳”戰略。

此外，全球高分辨率大氣物理-化學耦合模擬同樣適用于研究行星大氣成份的演變規律。團隊也將在前述研究基礎上，發展行星高分辨率大氣模式，有助于我國的深空探測計劃和科學研究。