中國海洋大學高解析度地球系統模式發展取得突破性進展

近日，由中國海洋大學「築峰人才工程」第一層次教授、物理海洋教育部重點實驗室張紹晴教授首席領導、學校多位專家學者主導參與的高解析度地球系統模式發展取得突破性進展，高解析度（10公里海洋+25公裡大氣）通用地球系統模式（CESM）成功實現在國產眾核「神威•太湖之光」機器上的算法改造和優化，這也標誌著我國新型國產眾核超算已完全具備與傳統「多核同構」相同的大規模科學計算能力。

氣候變化是當今全球發展面臨的最複雜、最具挑戰性的問題之一。通過對地球表面多圈層流體運動方程在超級計算機上進行離散編程形成的地球系統模式，可以對地球表面的氣候狀態進行數值模擬；用人類觀測系統初始化後地球系統模式可以預報預測未來氣候狀態的演變。地球系統模式是地球氣候科學研究的重要工具。地球系統模式中離散流體單元的大小，即解析度，直接決定了它對現實世界的模擬能力和代表性；高解析度地球系統模式的研發又直接受超級計算機（簡稱「超算」）能力的制約。傳統計算機核芯架構的高能耗限制了超算性能的提升，用於大規模科學計算的超算發展已到了一個瓶頸階段。我國自主設計生產的「神威•太湖之光」超算系統採用「眾核異構」設計理念，晶片內部包含主核和從核兩種核心架構，在大規模提升運算能力的同時，能合理控制系統能耗，符合當今節能減排科技發展的世界潮流。但主從核融合的異構晶片，給以包含數據依賴循環體為基本特徵的科學計算帶來極大的算法設計挑戰。由中國海洋大學、國家超級計算無錫中心、國家超級計算濟南中心、青島海洋科學與技術試點國家實驗室，以及國際高解析度地球系統預測實驗室（iHESP）等多家單位的聯合研究團隊歷經三年的努力，完成了高解析度（10公里海洋+25公裡大氣）通用地球系統模式（CESM是目前世界上最先進、使用最廣泛的地球系統模式之一）在 「神威•太湖之光」機器上的算法改造和優化，以及近千年的穩定積分和結果科學驗證。這標誌著新型的國產眾核超算已完全具備與傳統「多核同構」相同的大規模科學計算能力。

10公里海洋+25公裡大氣的高解析度通用地球系統模式由大氣、陸地表面、海洋、海冰和河流徑流等諸多模塊組成，能夠直接模擬熱帶氣旋、海洋渦及鋒面等中小尺度大氣海洋極端現象，從而提高對全球氣候變化更加精細化的理解，進而提升對未來氣候變暖背景中這些現象變異的預測能力。與低解析度模式相比，高解析度地球系統模式模擬出的年均熱帶氣旋數量大幅度地提升了與觀測數據的匹配度；在1950-2018年期間，全球平均每年觀測到的熱帶氣旋約為82個，目前廣為使用的低解析度模式僅模擬出平均每年23 個，而高解析度模擬結果是每年85 個。此外，模式在「神威•太湖之光」機器上模擬的熱帶氣旋與厄爾尼諾-南方濤動等低頻氣候現象的相關關係，以及在全球變暖背景下熱帶氣旋的地域變化性等，比低分變率模式模擬更符合理論預期，與客觀世界中的觀測表現更為一致。

熱帶氣旋在1950-2018年期間觀測、高解析度模擬（左下）和低解析度模擬（右下）。不同的顏色表示不同的熱帶氣旋強度（美國NOAA標準）。垂直虛線分隔不同的熱帶氣旋區。

地球系統科學正在實現從純基礎研究到基礎研究與社會保障服務緊密結合的轉變，為打造宜居地球作強有力的科學支撐和環境服務保障。這要求無論基礎研究，還是環境保障的預警服務平臺，都必須更關注高影響的中小尺度極端海洋大氣現象，從機理揭示到過程再現都向更加精細化方向發展，模式的解析度在這個過程中起著決定性的作用。高解析度地球系統模式在國產眾核「神威•太湖之光」機器上的算法改造和優化成功，是一個具有突破性意義的工作，為我國地球科學研究走高精度自主發展的道路進一步掃清了障礙。

上述突破進展近期由地學領域國際權威學術期刊Geoscientific Model Development（《地球科學模式研發》）以「Optimizing High-Resolution Community Earth System Model on a Heterogeneous Many-Core Supercomputing Platform」/「高解析度通用地球系統模式在眾核異構超級計算平臺（神威•太湖之光）上的優化」為題在線報導，該成果由張紹晴教授領銜，清華大學付昊桓教授等來自國內多家合作單位的近50位研究者共同完成。