中科大在国产新一代神威超级计算机上实现全球公里尺度大气数值模拟

近日，中国科学技术大学在新一代神威超级计算机上，首次实现了长达7天的全球3公里空间分辨率大气物理-化学全耦合数值模拟试验，或将显著改善极端天气事件预报的准确性。

全球大气3公里空间分辨率的大规模并行模拟效率示意图，图片来自论文

近年来，频繁发生的极端和高影响天气及空气污染事件，如暴雨、暴雪、高温、干旱、雷暴、台风、冰雹、寒潮、霾、沙尘暴等，不仅对人民生产生活带来严重影响，甚至造成不可估量的生命和财产损失。大气数值模拟是研究和预测此类灾害性天气事件的关键手段。

尽管近几十年来，大气数值模式得到了快速发展，但目前仍存在着较大的预报偏差。由于大气系统中包含了不同时空尺度过程以及它们之间的相互作用，因此为了提高数值预报能力，模式就需要具备精细的时空分辨率。

此外，大气数值模式还需要包括许多复杂的物理和化学过程，来反映人类活动和全球城市化的高度发展对大气系统产生的重要影响。但构建这样的大气数值模式会带来模拟计算量的指数增长和极大规模的数据读写需求。因此，包含大气成份演变过程的全球高分辨率大气数值模式仍是一项难以突破的挑战。

此次，中国科学技术大学地球和空间科学学院赵纯教授课题组、计算机科学与技术学院安虹教授课题组，以及国家气象局、国家超级计算无锡中心、北京大学、清华大学等研究人员，首次在新一代神威超级计算机上实现了长达7天的全球3公里空间分辨率大气物理-化学全耦合数值模拟试验，全面展现了新一代国产超级计算机软硬件系统的可靠性、稳定性和可用性，以及在构建全球高分辨率大气模拟系统的重大应用前景。研究成果在线发表于《科学通报》(Science Bulletin)。

全球高分辨率大气数值模式iAMAS 大规模并行优化和模拟，图片来自中科大

神威系列超级计算机是我国自主研发的超级计算机系统。新一代神威超级计算机拥有强大计算和系统通信能力，这来自于我国自主设计的申威高性能计算和通信芯片。其中，还包括丰富的面向高性能计算(HPC)、人工智能(AI)和大数据融合应用场景的大规模并行计算软件开发环境和工具，为重大应用领域的计算模型创新与实现提供了系统软件支撑，使多尺度、高分辨率、长时间、高精度的超大规模模拟成为可能，特别是对多学科、多物理、多时空分辨率的耦合模拟能力。

前述研究基于新一代国产神威超算平台，研发了包含大气成份演变过程的全球高分辨率非静力平衡大气数值模式iAMAS，在大规模数据读写速度、并行计算效率、规模可扩展性、运行时效性等多个方面填补了国内外大气数值模拟的空白。

国产神威超级计算机

团队根据新一代神威超级计算机通信系统和文件系统的特点，通过重构数据读写策略充分利用了系统提供的读写带宽、释放文件系统性能，解决严重影响iAMAS模拟可扩展性的读写瓶颈。同时，全面优化从系统到芯片各层次的并行计算方法，充分发挥新一代申威异构众核处理器芯片架构的计算特点，实现了进程级、线程级和数据级三个层次的并行，大幅提升了大气物理-化学全耦合数值模拟的并行计算效率。

最终，团队将数值模拟的试验规模扩展到近4000万处理器核（约60万核组）时，并行效率仍保持在76.2%，在频繁的大规模数据读写的情景下实现了每小时模拟0.82天的速度，首次实现了全球3公里大气物理-气溶胶耦合的高效数值模拟试验。

这项研究初步揭示了全球高分辨率大气物理-化学耦合模拟可以显著改善极端天气事件预报的准确性，展现出高空间分辨率和耦合化学反馈效应对于数值天气和空气质量预报的重要意义，对预报极端、高影响天气和大气污染事件具有重要应用前景。

未来，团队计划进一步优化前述大气模式，提高其计算效率和稳定性，并将其耦合进高分辨率地球系统模式，从而开展长期的高分辨率气候模拟试验，探究气候变化规律及对人类的影响，将有助于实现我国“双碳”战略。

图片来自NASA

此外，全球高分辨率大气物理-化学耦合模拟同样适用于研究行星大气成份的演变规律。团队也将在前述研究基础上，发展行星高分辨率大气模式，有助于我国的深空探测计划和科学研究。

论文共同通讯作者为中科大教授赵纯和安虹，共同第一作者为硕士研究生顾俊、方涛，博士研究生冯家望、郝晓宇。前述研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学技术大学“双一流工程”研究基金、中科院战略重点研究计划等项目的共同资助。同时，青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学技术大学超算中心、国家超级计算无锡中心、国家超级计算济南中心、国家超级计算广州中心等单位提供了超算资源的支持。