近日，中國科學技術大學在新一代神威超級計算機上首次實現了長達7天的全球3公里空間分辨率大氣物理-化學全耦合數值模擬試驗，全面展現了新一代國產超級計算機軟硬件系統的可靠性、穩定性和可用性，以及在其上構建全球高分辨率大氣模擬系統的重大應用前景。
研究成果以“Establishing a non-hydrostatic global atmospheric modeling system at 3-km horizontal resolution with aerosol feedbacks on the Sunway supercomputer of China”為題在線發表於《Science Bulletin》上。此項成果由地球和空間科學學院趙純教授課題組與計算機科學與技術學院安虹教授課題組聯合攻關，在國家氣象局、國家超級計算無錫中心、北京大學、清華大學相關研究人員的緊密配合下完成。
圖1 《Science Bulletin》期刊論文頁面
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之一。近年來，頻繁發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、乾旱、雷暴、颱風、冰雹、寒潮、霾、沙塵暴等，不僅對人民的生產生活帶來嚴重影響，甚至會造成不可估量的生命和財產損失。而大氣數值模擬是研究和預測此類災害性天氣事件的關鍵手段。儘管大氣數值模式近幾十年來得到了快速的發展，但目前仍存在着較大的預報偏差。由於大氣系統中包含了不同時空尺度過程以及它們之間的相互作用，因此為了提高數值預報能力，模式需要具備精細的時空分辨率。此外，大氣數值模式還需要包括許多複雜的物理和化學過程，來反映人類的活動和全球城市化的高度發展對大氣系統產生的重要影響。而構建這樣的大氣數值模式會帶來模擬計算量的指數增長和極大規模的數據讀寫需求，使得包含大氣成份演變過程的全球高分辨率大氣數值模式至今仍然是難以突破的挑戰問題。
神威系列超級計算機是我國自主研發的超級計算機系統。新一代神威超級計算機上擁有的強大計算和系統通信能力來自我國自主設計的申威高性能計算和通信芯片，其上豐富的面向HPC、AI和大數據融合應用場景的大規模并行計算軟件開發環境和工具，為各重大應用領域的計算模型創新與實現提供了強大、靈活的系統軟件支撐，使多尺度、高分辨率、長時間、高精度的超大規模模擬成為可能，特別是已展現出對多學科、多物理、多時空分辨率的耦合模擬能力。與基於同時代的商用處理器構建的“CPU+加速器“體系架構的超算系統相比，神威超算系統具有更多層次和更大規模的多級并行計算單元、獨特的系統存儲和通信結構，在大幅度提高計算、訪存、通信和讀寫的能力，以及降低功耗、體積、構建和運維成本的同時，其上的并行算法設計、實現與性能優化也面臨諸多挑戰，迫切需要在重大應用問題的驅動下，發展其上的并行算法設計和優化實現的方法。
本研究工作基於新一代國產神威超算平台，研發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值模式iAMAS，在大規模數據讀寫速度、并行計算效率、規模可擴展性、運行時效性等多個方面填補了國內外大氣數值模擬的空白。我們根據新一代神威超級計算機通信系統和文件系統的特點，通過重構數據讀寫策略充分利用了系統提供的讀寫帶寬、釋放文件系統性能，解決嚴重影響iAMAS模擬可擴展性的讀寫瓶頸；全面優化從系統到芯片各層次的并行計算方法，充分發揮新一代申威異構眾核處理器芯片架構的計算特點，實現了進程級、線程級和數據級三個層次的并行，大幅提升了大氣物理-化學全耦合數值模擬的并行計算效率。最終，將數值模擬試驗的規模擴展到近4000萬處理器核（約60萬核組）時，并行效率仍保持在76.2%，在頻繁的大規模數據讀寫的情景下實現了每小時模擬0.82天的速度，實現了全球3 km大氣物理-氣溶膠耦合的高效數值模擬試驗, 達到了國際領先水平。
A. 大規模并行計算方法與數據讀寫策略
B. 全球3km大氣模擬結果
圖2 全球高分辨率大氣數值模式iAMAS 大規模并行優化和模擬
本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天氣事件預報的準確性，展現出高空間分辨率和耦合化學反饋效應對數值天氣和空氣質量預報的重要意義，對預報極端和高影響天氣、以及大氣污染事件具有重大應用前景。我們未來計劃進一步優化該大氣模式，提高其計算效率和穩定性，並將其耦合進高分辨率地球系統模式，從而可以開展長期的高分辨率氣候模擬試驗，探究氣候變化規律及對人類的影響，服務於國家的“雙碳”戰略。此外，全球高分辨率大氣物理-化學耦合模擬同樣適用於研究行星大氣成份的演變規律。團隊也將在本研究的基礎上，發展行星高分辨率大氣模式，服務於國家的深空探測計劃和科學研究。
圖3 全球大氣3公里空間分辨率的大規模并行模擬效率示意圖
趙純教授和安虹教授為本論文的共同通訊作者，碩士研究生顧俊、方濤，博士研究生馮家望、郝曉宇為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學技術大學“雙一流工程”研究基金、中科院戰略重點研究計劃等項目的共同資助。同時，青島海洋科學與技術試點國家實驗室、中國科學技術大學超算中心、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本項目研究提供了超算資源的支持。
參考文獻：
J. Gu, J. Feng, X. Hao, T. Fang, C. Zhao, H. An, J. Chen, M. Xu, J. Li, W. Han, C. Yang, F. Li, D. Chen: Establishing a non-hydrostatic global atmospheric modeling system at 3-km horizontal resolution with aerosol feedbacks on the Sunway supercomputer of China, Science Bulletin, https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.03.009
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927322000998
https://authors.elsevier.com/a/1eqLc7SZmRWBvc
（計算機科學與技術學院、地球和空間科學學院、科研部）