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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在新一代神威超級計算機(jī)上首次實現(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，全面展現(xiàn)了新一代國產(chǎn)超級計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可用性，以及在其上構(gòu)建全球高分辨率大氣模擬系統(tǒng)的重大應(yīng)用前景。研究成果以“Establishing a non-hydrostatic global atmospheric modeling system at 3-km horizontal resolution with aerosol feedbacks on the Sunway supercomputer of China”為題在線發(fā)表于《Science? Bulletin》上。此項成果由地球和空間科學(xué)學(xué)院趙純教授課題組與計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院安虹教授課題組聯(lián)合攻關(guān)，在國家氣象局、國家超級計算無錫中心、北京大學(xué)、清華大學(xué)相關(guān)研究人員的緊密配合下完成。

圖1《Science Bulletin》期刊論文頁面

應(yīng)對日益變暖的全球氣候以及頻繁的極端和高影響天氣是21世紀(jì)科學(xué)界面臨的重大挑戰(zhàn)之一。近年來，頻繁發(fā)生的極端和高影響天氣以及空氣污染事件，如暴雨、暴雪、高溫、干旱、雷暴、臺風(fēng)、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等，不僅對人民的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響，甚至?xí)斐刹豢晒懒康纳拓敭a(chǎn)損失。而大氣數(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。盡管大氣數(shù)值模式近幾十年來得到了快速的發(fā)展，但目前仍存在著較大的預(yù)報偏差。由于大氣系統(tǒng)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(shù)值預(yù)報能力，模式需要具備精細(xì)的時空分辨率。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，來反映人類的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。而構(gòu)建這樣的大氣數(shù)值模式會帶來模擬計算量的指數(shù)增長和極大規(guī)模的數(shù)據(jù)讀寫需求，使得包含大氣成份演變過程的全球高分辨率大氣數(shù)值模式至今仍然是難以突破的挑戰(zhàn)問題。

神威系列超級計算機(jī)是我國自主研發(fā)的超級計算機(jī)系統(tǒng)。新一代神威超級計算機(jī)上擁有的強(qiáng)大計算和系統(tǒng)通信能力來自我國自主設(shè)計的申威高性能計算和通信芯片，其上豐富的面向HPC、AI和大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用場景的大規(guī)模并行計算軟件開發(fā)環(huán)境和工具，為各重大應(yīng)用領(lǐng)域的計算模型創(chuàng)新與實現(xiàn)提供了強(qiáng)大、靈活的系統(tǒng)軟件支撐，使多尺度、高分辨率、長時間、高精度的超大規(guī)模模擬成為可能，特別是已展現(xiàn)出對多學(xué)科、多物理、多時空分辨率的耦合模擬能力。與基于同時代的商用處理器構(gòu)建的“CPU+加速器“體系架構(gòu)的超算系統(tǒng)相比，神威超算系統(tǒng)具有更多層次和更大規(guī)模的多級并行計算單元、獨特的系統(tǒng)存儲和通信結(jié)構(gòu)，在大幅度提高計算、訪存、通信和讀寫的能力，以及降低功耗、體積、構(gòu)建和運維成本的同時，其上的并行算法設(shè)計、實現(xiàn)與性能優(yōu)化也面臨諸多挑戰(zhàn)，迫切需要在重大應(yīng)用問題的驅(qū)動下，發(fā)展其上的并行算法設(shè)計和優(yōu)化實現(xiàn)的方法。

本研究工作基于新一代國產(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、并行計算效率、規(guī)模可擴(kuò)展性、運行時效性等多個方面填補(bǔ)了國內(nèi)外大氣數(shù)值模擬的空白。我們根據(jù)新一代神威超級計算機(jī)通信系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的特點，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；全面優(yōu)化從系統(tǒng)到芯片各層次的并行計算方法，充分發(fā)揮新一代申威異構(gòu)眾核處理器芯片架構(gòu)的計算特點，實現(xiàn)了進(jìn)程級、線程級和數(shù)據(jù)級三個層次的并行，大幅提升了大氣物理-化學(xué)全耦合數(shù)值模擬的并行計算效率。最終，將數(shù)值模擬試驗的規(guī)模擴(kuò)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(guī)模數(shù)據(jù)讀寫的情景下實現(xiàn)了每小時模擬0.82天的速度，實現(xiàn)了全球3 km大氣物理-化學(xué)耦合的高效數(shù)值模擬試驗, 達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

A.大規(guī)模并行計算方法與數(shù)據(jù)讀寫策略? B.全球3km大氣模擬結(jié)果??

圖2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

本研究初步揭示了全球高分辨率大氣物理-化學(xué)耦合模擬能顯著改善極端天氣事件預(yù)報的準(zhǔn)確性，展現(xiàn)出高空間分辨率和耦合化學(xué)反饋效應(yīng)對數(shù)值天氣和空氣質(zhì)量預(yù)報的重要意義，對預(yù)報極端和高影響天氣、以及大氣污染事件具有重大應(yīng)用前景。我們未來計劃進(jìn)一步優(yōu)化該大氣模式，提高其計算效率和穩(wěn)定性，并將其耦合進(jìn)高分辨率地球系統(tǒng)模式，從而可以開展長期的高分辨率氣候模擬試驗，探究氣候變化規(guī)律及對人類的影響，服務(wù)于國家的“雙碳”戰(zhàn)略。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)隊也將在本研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展行星高分辨率大氣模式，服務(wù)于國家的深空探測計劃和科學(xué)研究。

圖3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

趙純教授和安虹教授為本論文的共同通訊作者，碩士研究生顧俊、方濤，博士研究生馮家望、郝曉宇為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、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)略重點研究計劃等項目的共同資助。同時，青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超算中心、國家超級計算無錫中心、國家超級計算濟(jì)南中心、國家超級計算廣州中心等單位為本項目研究提供了超算資源的支持。

參考文獻(xiàn)：

J. Gu, J. Feng, X. Hao, T. Fang, C. Zhao, H. An, J. Chen, M. Xu, J. Li, W. Han, C. Yang, F. Li, D. Chen: Establishing a non-hydrostatic global atmospheric modeling system at 3-km horizontal resolution with aerosol feedbacks on the Sunway supercomputer of China,Science Bulletin,https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.03.009

論文鏈接：

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、科研部）