海洋试点国家实验室高分辨率地球系统模式发展取得突破性进展

半岛全媒体记者 徐杰

12日，记者从海洋试点国家实验室获悉，近日，由该实验室“卓越科学家”、中国海洋大学“筑峰人才工程”第一层次教授、海洋动力过程与气候功能实验室张绍晴教授首席领导和海洋试点国家实验室多位专家学者主导参与的高分辨率地球系统模式发展取得突破性进展，高分辨率（10公里海洋+25公里大气）通用地球系统模式（CESM）成功实现在国产众核“神威·太湖之光”机器上的算法改造和优化，这也标志着我国新型国产众核超算已完全具备与传统“多核同构”相同的大规模科学计算能力。

科研人员介绍，气候变化是当今全球发展面临的最复杂、最具挑战性的问题之一。通过对地球表面多圈层流体运动方程在超级计算机上进行离散编程形成的地球系统模式，可以对地球表面的气候状态进行数值模拟；用人类观测系统初始化后地球系统模式可以预报预测未来气候状态的演变。

地球系统模式是地球气候科学研究的重要工具，地球系统模式中离散流体单元的大小，即分辨率，直接决定了它对现实世界的模拟能力和代表性；高分辨率地球系统模式的研发又直接受超级计算机（简称“超算”）能力的制约。传统计算机核芯架构的高能耗限制了超算性能的提升，用于大规模科学计算的超算发展已到了一个瓶颈阶段。

我国自主设计生产的“神威·太湖之光”超算系统采用“众核异构”设计理念，芯片内部包含主核和从核两种核心架构，在大规模提升运算能力的同时，能合理控制系统能耗，符合当今节能减排科技发展的世界潮流。但主从核融合的异构芯片，给以包含数据依赖循环体为基本特征的科学计算带来极大的算法设计挑战。

为此，由海洋试点国家实验室国际高分辨率地球系统预测实验室、中国海洋大学、国家超级计算无锡中心、国家超级计算济南中心等多家单位的联合研究团队历经三年的努力，完成了高分辨率（10公里海洋+25公里大气）通用地球系统模式（CESM）（注：CESM是目前世界上最先进、使用最广泛的地球系统模式之一）在“神威·太湖之光”机器上的算法改造和优化，以及近千年的稳定积分和结果科学验证。这标志着新型的国产众核超算已完全具备与传统“多核同构”相同的大规模科学计算能力。

科研人员解释称，10公里海洋+25公里大气的高分辨率通用地球系统模式，是由大气、陆地表面、海洋、海冰和河流径流等诸多模块组成，能够直接模拟热带气旋、海洋涡及锋面等中小尺度大气海洋极端现象，从而提高对全球气候变化更加精细化的理解，进而提升我们对未来气候变暖背景中这些现象变异的预测能力。

与低分辨率模式相比，高分辨率地球系统模式模拟出的年均热带气旋数量大幅度地提升了与观测数据的匹配度。比如，在1950-2018年期间，全球平均每年观测到的热带气旋约为82个，目前广为使用的低分辨率模式仅模拟出平均每年23个，而高分辨率模拟结果是每年85个。此外，高分辨率模式在“神威·太湖之光”机器上模拟的热带气旋与厄尔尼诺-南方涛动等低频气候现象的相关关系，以及在全球变暖背景下热带气旋的地域变化性等，比低分辨率模式模拟更符合理论预期，与客观世界中的观测表现更为一致。

科研人员介绍，地球系统科学正在实现从纯基础研究到基础研究与社会保障服务紧密结合的转变，为打造宜居地球作强有力的科学支撑和环境服务保障。这要求无论基础研究，还是环境保障的预警服务平台，都必须更关注高影响的中小尺度极端海洋大气现象，从机理揭示到过程再现都向更加精细化方向发展，模式的分辨率在这个过程中起着决定性的作用。高分辨率地球系统模式在国产众核“神威·太湖之光”机器上的算法改造和优化成功，是一个具有突破性意义的工作，为我国地球科学研究走高精度自主发展的道路进一步扫清了障碍。