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(tǒng)和大氣物理化學條件先一步模擬(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。

但這并未阻擋科學家們?yōu)榇伺Φ哪_步。4 月 1 日，記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校計算機科學與技術(shù)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(lián)合，在我國新一代神威超級計算機上首次實現(xiàn)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(shù)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(fā)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(shù)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(tǒng)模擬的挑戰(zhàn)說起。

包含大氣成份演變過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的時空分辨率——當前最先進的地球系統(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雜的物理和化學過程——此前的天氣預報僅關(guān)注水分等要素，空氣中的二氧化硫、PM2.5等要素的耦合會使模擬復雜度呈幾何數(shù)級的增長。因此，要構(gòu)建這樣的大氣數(shù)值模式，會帶來模擬計算量的指數(shù)增長和極大規(guī)模的數(shù)據(jù)讀寫需求。

超算系統(tǒng)性能和一系列超算應用技術(shù)的突破給這一挑戰(zhàn)提供了轉(zhuǎn)機。論文稱，該研究工作基于新一代國產(chǎn)神威超算平臺，研發(fā)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(shù)值模式iAMAS，在大規(guī)模數(shù)據(jù)讀寫速度、并行計算效率、規(guī)模可擴展性、運行時效性等多個方面填補了國內(nèi)外大氣數(shù)值模擬的空白。

安虹向《中國科學報》介紹，聯(lián)合研究團隊根據(jù)新一代神威超級計算機通信系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的特點，通過重構(gòu)數(shù)據(jù)讀寫策略，充分利用了系統(tǒng)提供的讀寫帶寬、釋放文件系統(tǒng)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(yōu)化從系統(tǒng)到芯片各層次的并行計算方法，充分發(fā)揮新一代申威異構(gòu)眾核處理器芯片架構(gòu)的計算特點，實現(xiàn)了進程級、線程級和數(shù)據(jù)級三個層次的并行，大幅提升了大氣物理—化學全耦合數(shù)值模擬的并行計算效率。

最終，研究團隊將數(shù)值模擬試驗的規(guī)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(guī)模數(shù)據(jù)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(xiàn)了全球3 km大氣物理—化學耦合的高效數(shù)值模擬試驗,達到了國際領(lǐng)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(tǒng)、沒有一系列超算技術(shù)的創(chuàng)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(zhì)量的預報時間控制在數(shù)小時內(nèi)完成，為開展長期的高分辨率氣候模擬奠定基礎(chǔ)。

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(zhàn)之一。近年來，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、臺風、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等，不僅對人民的生產(chǎn)生活帶來嚴重影響，甚至會造成不可估量的生命和財產(chǎn)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(xiàn)出高空間分辨率和耦合化學反饋效應對數(shù)值天氣和空氣質(zhì)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(yōu)化該大氣模式，提高其計算效率和穩(wěn)定性，并將其耦合進我國的高分辨率地球系統(tǒng)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(guī)律及對人類的影響，服務于國家的‘雙碳’戰(zhàn)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(guī)律。團隊也將在本研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展行星高分辨率大氣模式，服務于國家的深空探測計劃及相關(guān)科學研究。

該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學技術(shù)大學“雙一流工程”研究基金、中科院戰(zhàn)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(guān)研究人員的緊密配合下完成。青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室、中國科學技術(shù)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)

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