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    我國首次實現全球3公里大氣物理全耦合數值模擬

    發布時間:2022-04-06 14:23:40 來源:中國科學報 責任編輯:caobo

    如何提高對極端和高影響天氣預報的準確性?基于天氣系統和大氣物理化學條件先一步模擬(即大氣數值模擬),是可行方法之一。只是,要模擬全球大氣系統并非易事。

    但這并未阻擋科學家們為此努力的腳步。4 月 1 日,記者從中國科學技術大學獲悉,該校計算機科學與技術學院教授安虹課題組與地球和空間科學學院教授趙純課題組聯合,在我國新一代神威超級計算機上首次實現了長達 7 天的全球 3 公里空間分辨率的大氣物理—化學全耦合數值模擬,而這一過程,只需不到 9 小時。近日,該項研究以“Establishing a non-hydrostatic global atmospheric modeling system at 3-km horizontal resolution with aerosol feedbacks on the Sunway supercomputer of China”為題在線發表于《科學通報》(Science Bulletin)上。

    用不到 9 小時的時間,進行對長達未來 7 天的全球 3 公里空間分辨率的大氣物理—化學全耦合數值模擬,無疑為未來的精細和準確預報帶來福音。這一成果的取得,還要從模擬全球大氣系統模擬的挑戰說起。

    包含大氣成份演變過程的全球高分辨率大氣數值模擬,至今是難以突破的挑戰。這其中原因有二:一是,大氣數值模式需要具備更精細的時空分辨率——當前最先進的地球系統數值模擬裝置的全球模式水平分辨率最高是 10~25 公里,要提高精度難度頗大;二是,大氣數值模式還需要包括許多復雜的物理和化學過程——此前的天氣預報僅關注水分等要素,空氣中的二氧化硫、PM2.5等要素的耦合會使模擬復雜度呈幾何數級的增長。因此,要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。

    超算系統性能和一系列超算應用技術的突破給這一挑戰提供了轉機。論文稱,該研究工作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。

    安虹向《中國科學報》介紹,聯合研究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,解決了嚴重影響iAMAS模擬可擴展性的讀寫瓶頸;他們還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,研究團隊將數值模擬試驗的規模擴展到近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,達到了每小時模擬20小時天氣過程的速度,實現了全球3 km大氣物理—化學耦合的高效數值模擬試驗,達到了國際領先水平。

    “也就是說,目前我們用8.54小時的時間,就可以完成對7天天氣過程的精細預報,取得了很好的時效性。”安虹告訴《中國科學報》:“如果沒有新一代神威超算這么大的系統、沒有一系列超算技術的創新和突破,這種模擬可能一個月都算不完,就起不到預報的作用了。”

    安虹告訴記者,團隊正在做進一步的努力,希望把更準確更精細的中長期(10天以上)天氣過程和空氣質量的預報時間控制在數小時內完成,為開展長期的高分辨率氣候模擬奠定基礎。

    應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世紀科學界面臨的重大挑戰之一。近年來,頻繁發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、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等,不僅對人民的生產生活帶來嚴重影響,甚至會造成不可估量的生命和財產損失。

    安虹表示,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,能顯著改善極端和高影響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數值天氣和空氣質量預報的重要意義,具有重大的應用前景。

    “我們未來計劃進一步優化該大氣模式,提高其計算效率和穩定性,并將其耦合進我國的高分辨率地球系統模式,從而可以開展長期的高分辨率氣候模擬試驗,探究氣候變化規律及對人類的影響,服務于國家的‘雙碳’戰略。”趙純說,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。團隊也將在本研究的基礎上,發展行星高分辨率大氣模式,服務于國家的深空探測計劃及相關科學研究。

    該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學技術大學“雙一流工程”研究基金、中科院戰略重點研究計劃等項目的共同資助。該項成果在國家氣象局、國家超級計算無錫中心、北京大學、清華大學相關研究人員的緊密配合下完成。青島海洋科學與技術試點國家實驗室、中國科學技術大學超算中心、國家超級計算無錫中心、國家超級計算濟南中心、國家超級計算廣州中心等單位為該項目研究提供了超算資源的支持。(作者:趙廣立)

    標簽: 大氣物理全耦合數值模擬 大氣數值模擬 大氣系統 神威超級計算機

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