如何提高對(duì)極端和高影響天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性?基于天氣系統(tǒng)和大氣物理化學(xué)條件先一步模擬(即大氣數(shù)值模擬)，是可行方法之一。只是，要模擬全球大氣系統(tǒng)并非易事。

但這并未阻擋科學(xué)家們?yōu)榇伺Φ哪_步。4 月 1 日，記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授安虹課題組與地球和空間科學(xué)學(xué)院教授趙純課題組聯(lián)合，在我國(guó)新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)上首次實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá) 7 天的全球 3 公里空間分辨率的大氣物理—化學(xué)全耦合數(shù)值模擬，而這一過(guò)程，只需不到 9 小時(shí)。近日，該項(xiàng)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(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)上。

用不到 9 小時(shí)的時(shí)間，進(jìn)行對(duì)長(zhǎng)達(dá)未來(lái) 7 天的全球 3 公里空間分辨率的大氣物理—化學(xué)全耦合數(shù)值模擬，無(wú)疑為未來(lái)的精細(xì)和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)帶來(lái)福音。這一成果的取得，還要從模擬全球大氣系統(tǒng)模擬的挑戰(zhàn)說(shuō)起。

包含大氣成份演變過(guò)程的全球高分辨率大氣數(shù)值模擬，至今是難以突破的挑戰(zhàn)。這其中原因有二：一是，大氣數(shù)值模式需要具備更精細(xì)的時(shí)空分辨率——當(dāng)前最先進(jìn)的地球系統(tǒng)數(shù)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(shù)值模式還需要包括許多復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程——此前的天氣預(yù)報(bào)僅關(guān)注水分等要素，空氣中的二氧化硫、PM2.5等要素的耦合會(huì)使模擬復(fù)雜度呈幾何數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。因此，要構(gòu)建這樣的大氣數(shù)值模式，會(huì)帶來(lái)模擬計(jì)算量的指數(shù)增長(zhǎng)和極大規(guī)模的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)需求。

超算系統(tǒng)性能和一系列超算應(yīng)用技術(shù)的突破給這一挑戰(zhàn)提供了轉(zhuǎn)機(jī)。論文稱(chēng)，該研究工作基于新一代國(guó)產(chǎn)神威超算平臺(tái)，研發(fā)了包含大氣成份演變過(guò)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(xiě)速度、并行計(jì)算效率、規(guī)?？蓴U(kuò)展性、運(yùn)行時(shí)效性等多個(gè)方面填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外大氣數(shù)值模擬的空白。

安虹向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過(guò)重構(gòu)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)策略，充分利用了系統(tǒng)提供的讀寫(xiě)帶寬、釋放文件系統(tǒng)性能，解決了嚴(yán)重影響iAMAS模擬可擴(kuò)展性的讀寫(xiě)瓶頸;他們還全面優(yōu)化從系統(tǒng)到芯片各層次的并行計(jì)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(jì)算特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程級(jí)、線程級(jí)和數(shù)據(jù)級(jí)三個(gè)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(jì)算效率。

最終，研究團(tuán)隊(duì)將數(shù)值模擬試驗(yàn)的規(guī)模擴(kuò)展到近4000萬(wàn)處理器核(約60萬(wàn)核組)時(shí)，并行效率仍保持在76.2%，在頻繁的大規(guī)模數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的情景下，達(dá)到了每小時(shí)模擬20小時(shí)天氣過(guò)程的速度，實(shí)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(yàn),達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

“也就是說(shuō)，目前我們用8.54小時(shí)的時(shí)間，就可以完成對(duì)7天天氣過(guò)程的精細(xì)預(yù)報(bào)，取得了很好的時(shí)效性。”安虹告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“如果沒(méi)有新一代神威超算這么大的系統(tǒng)、沒(méi)有一系列超算技術(shù)的創(chuàng)新和突破，這種模擬可能一個(gè)月都算不完，就起不到預(yù)報(bào)的作用了。”

安虹告訴記者，團(tuán)隊(duì)正在做進(jìn)一步的努力，希望把更準(zhǔn)確更精細(xì)的中長(zhǎng)期(10天以上)天氣過(guò)程和空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)時(shí)間控制在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，為開(kāi)展長(zhǎng)期的高分辨率氣候模擬奠定基礎(chǔ)。

應(yīng)對(duì)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(lái)，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(tái)風(fēng)、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等，不僅對(duì)人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至?xí)斐刹豢晒懒康纳拓?cái)產(chǎn)損失。

安虹表示，這項(xiàng)研究初步揭示了全球高分辨率大氣物理—化學(xué)耦合模擬，能顯著改善極端和高影響天氣事件預(yù)報(bào)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(duì)數(shù)值天氣和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的重要意義，具有重大的應(yīng)用前景。

“我們未來(lái)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化該大氣模式，提高其計(jì)算效率和穩(wěn)定性，并將其耦合進(jìn)我國(guó)的高分辨率地球系統(tǒng)模式，從而可以開(kāi)展長(zhǎng)期的高分辨率氣候模擬試驗(yàn)，探究氣候變化規(guī)律及對(duì)人類(lèi)的影響，服務(wù)于國(guó)家的‘雙碳’戰(zhàn)略。”趙純說(shuō)，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(duì)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(guó)家的深空探測(cè)計(jì)劃及相關(guān)科學(xué)研究。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)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(diǎn)研究計(jì)劃等項(xiàng)目的共同資助。該項(xiàng)成果在國(guó)家氣象局、國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)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。青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超算中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心等單位為該項(xiàng)目研究提供了超算資源的支持。(作者：趙廣立)

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