本報訊（記者趙廣立）如何提高(gao)極端天氣(qi)和高(gao)影響天氣(qi)預報(bao)的準確性？基于天氣(qi)系統和大(da)氣(qi)物理(li)化學條件先一(yi)步模(mo)擬(ni)（即大(da)氣(qi)數(shu)值模(mo)擬(ni)）是(shi)(shi)可行方法之(zhi)一(yi)，只是(shi)(shi)要模(mo)擬(ni)全(quan)球大(da)氣(qi)系統并非易事。
但這并未阻擋科學(xue)家(jia)為(wei)此努力的(de)腳步。日(ri)前，記(ji)者從188bet足球獲悉，該校計算(suan)(suan)機(ji)科學(xue)與技術學(xue)院(yuan)教(jiao)授安虹課題組、地球(qiu)和空間(jian)(jian)科學(xue)學(xue)院(yuan)教(jiao)授趙(zhao)純(chun)課題組與合作(zuo)者，在我國新一(yi)代神威超(chao)級計算(suan)(suan)機(ji)上(shang)首(shou)次實現了長達7天的(de)全球(qiu)3公里空間(jian)(jian)分辨(bian)率大氣物理—化學(xue)全耦合數值模擬，而(er)這一(yi)過程(cheng)，耗時(shi)不到9小時(shi)。近日(ri)，相關成果在線(xian)發表于《科學(xue)通報》。
包含大(da)氣(qi)成分(fen)演變(bian)過(guo)程(cheng)(cheng)的(de)(de)全球(qiu)高分(fen)辨(bian)率(lv)大(da)氣(qi)數值(zhi)模擬(ni)，至(zhi)今(jin)是難(nan)(nan)以突破的(de)(de)挑戰。其(qi)中的(de)(de)原因(yin)有(you)二(er)：一是大(da)氣(qi)數值(zhi)模式(shi)(shi)需要(yao)更精細的(de)(de)時空(kong)(kong)分(fen)辨(bian)率(lv)——當前最(zui)先進的(de)(de)地(di)球(qiu)系統(tong)數值(zhi)模擬(ni)裝置的(de)(de)全球(qiu)模式(shi)(shi)水平分(fen)辨(bian)率(lv)最(zui)高為10~25公里(li)，要(yao)提高精度難(nan)(nan)度頗大(da)；二(er)是大(da)氣(qi)數值(zhi)模式(shi)(shi)還需要(yao)包括(kuo)許多(duo)復(fu)雜的(de)(de)物理和(he)化(hua)學過(guo)程(cheng)(cheng)——空(kong)(kong)氣(qi)中二(er)氧(yang)化(hua)硫、PM2.5等(deng)要(yao)素的(de)(de)耦合會(hui)使模擬(ni)復(fu)雜度大(da)大(da)增(zeng)加。因(yin)此，構建這(zhe)樣的(de)(de)大(da)氣(qi)數值(zhi)模式(shi)(shi)，會(hui)帶來(lai)模擬(ni)計(ji)算量(liang)的(de)(de)指數增(zeng)長和(he)極大(da)規模的(de)(de)數據讀寫需求。
該研究基于新一代國產神(shen)威超算平臺，研發(fa)了包含大(da)(da)氣成分演變(bian)過程的全球高分辨率非靜力平衡大(da)(da)氣數(shu)值(zhi)模式iAMAS，在大(da)(da)規模數(shu)據讀(du)寫(xie)速度、并(bing)行(xing)計(ji)算效率、規模可擴展性(xing)、運行(xing)時效性(xing)等多方面(mian)填補了國內外大(da)(da)氣數(shu)值(zhi)模擬的空白(bai)。
安虹向《中(zhong)國科學報》介紹，聯合(he)研究團隊根據新一代(dai)神威超級(ji)計(ji)(ji)算機通(tong)信系(xi)統(tong)(tong)和(he)文件(jian)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)特點，通(tong)過重構數(shu)據讀(du)寫(xie)策略，充(chong)(chong)分(fen)利用系(xi)統(tong)(tong)提供的(de)(de)讀(du)寫(xie)帶寬(kuan)、釋放文件(jian)系(xi)統(tong)(tong)性能，解(jie)決了(le)嚴(yan)重影響iAMAS模擬可(ke)擴展性的(de)(de)讀(du)寫(xie)瓶頸；全(quan)面優化從系(xi)統(tong)(tong)到芯(xin)片各層(ceng)次(ci)(ci)的(de)(de)并(bing)(bing)行(xing)計(ji)(ji)算方法，充(chong)(chong)分(fen)發揮(hui)新一代(dai)申威異(yi)構眾(zhong)核處理(li)(li)器芯(xin)片架(jia)構的(de)(de)計(ji)(ji)算特點，實現了(le)進程級(ji)、線(xian)程級(ji)和(he)數(shu)據級(ji)三個層(ceng)次(ci)(ci)的(de)(de)并(bing)(bing)行(xing)，大(da)幅提升了(le)大(da)氣物(wu)理(li)(li)—化學全(quan)耦合(he)數(shu)值模擬的(de)(de)并(bing)(bing)行(xing)計(ji)(ji)算效率(lv)。
最(zui)終，在(zai)頻繁(fan)的(de)大規模(mo)數據讀寫的(de)情景(jing)下(xia)，達到了每小(xiao)時(shi)模(mo)擬(ni)20小(xiao)時(shi)天氣過程的(de)速度，實(shi)現了全球3公里空(kong)間分(fen)辨率大氣物理—化學(xue)耦(ou)合(he)的(de)高效數值(zhi)模(mo)擬(ni)試(shi)驗(yan), 達到了國際(ji)領先水平。
“也就是說，目前(qian)我們用8.54個(ge)小時，就可以完成(cheng)對(dui)7天天氣(qi)過程的(de)精(jing)細預報。”安虹告(gao)訴(su)《中國科學報》，“如果沒有(you)新一代神(shen)威超算這么大的(de)系(xi)統、沒有(you)一系(xi)列(lie)超算技術的(de)創新和突破，這種模擬可能一個(ge)月都完成(cheng)不(bu)了(le)，就起不(bu)到(dao)預報的(de)作用了(le)。”
安虹告訴記者，團隊下一步(bu)希望把更(geng)準確、更(geng)精細的(de)中(zhong)長期（10天以上）天氣(qi)(qi)過程和空氣(qi)(qi)質(zhi)量(liang)的(de)預報(bao)時間控制在(zai)數小(xiao)時內，為(wei)開(kai)展(zhan)長期的(de)高分辨(bian)率(lv)氣(qi)(qi)候模擬奠定(ding)基礎。
安虹表示，這項研究初步揭示了全(quan)球高分辨率大氣(qi)(qi)物理—化學(xue)耦合(he)模擬(ni)，能顯著提高極端天(tian)氣(qi)(qi)和高影響天(tian)氣(qi)(qi)預(yu)報的準確性，展現(xian)出高空(kong)(kong)間分辨率和耦合(he)化學(xue)反(fan)饋效應對數值(zhi)天(tian)氣(qi)(qi)和空(kong)(kong)氣(qi)(qi)質量預(yu)報的重要意義，具有廣闊的應用前(qian)景。
“我(wo)們計(ji)劃(hua)進(jin)一步優(you)化該(gai)(gai)大(da)氣模式，提高(gao)其(qi)(qi)計(ji)算效率和穩(wen)定性，并將(jiang)其(qi)(qi)耦合(he)進(jin)我(wo)國(guo)的(de)(de)(de)高(gao)分(fen)(fen)辨(bian)率地球系(xi)統模式，從而開展(zhan)長期的(de)(de)(de)高(gao)分(fen)(fen)辨(bian)率氣候模擬試驗，探(tan)究氣候變化規(gui)律及其(qi)(qi)對人類(lei)的(de)(de)(de)影響，服務(wu)于國(guo)家(jia)‘雙碳’目標的(de)(de)(de)實現。”趙(zhao)純說，此外，全球高(gao)分(fen)(fen)辨(bian)率大(da)氣物理—化學耦合(he)模擬同樣適用于研(yan)究行星(xing)大(da)氣成分(fen)(fen)的(de)(de)(de)演變規(gui)律。團隊也將(jiang)在該(gai)(gai)研(yan)究的(de)(de)(de)基礎(chu)上，發展(zhan)行星(xing)高(gao)分(fen)(fen)辨(bian)率大(da)氣模式，服務(wu)于國(guo)家(jia)的(de)(de)(de)深空探(tan)測計(ji)劃(hua)及相關(guan)188bet金宝搏在线。
相關論文信息：
//doi.org/10.1016/j.scib.2022.03.009
《中國科學報》 (2022-04-06 第4版 綜(zong)合)
