“新神威”算天气 9小时就可以完成对7天天气过程的精细预报

如何提高极端天气和高影响天气预报的准确性?基于天气系统和大气物理化学条件先一步模拟(即大气数值模拟)是可行方法之一，只是要模拟全球大气系统并非易事。

但这并未阻挡科学家为此努力的脚步。日前，记者从中国科学技术大学获悉，该校计算机科学与技术学院教授安虹课题组、地球和空间科学学院教授赵纯课题组与合作者，在我国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，而这一过程，耗时不到9小时。近日，相关成果在线发表于《科学通报》。

包含大气成分演变过程的全球高分辨率大气数值模拟，至今是难以突破的挑战。其中的原因有二：一是大气数值模式需要更精细的时空分辨率——当前最先进的地球系统数值模拟装置的全球模式水平分辨率最高为10~25公里，要提高精度难度颇大;二是大气数值模式还需要包括许多复杂的物理和化学过程——空气中二氧化硫、PM2.5等要素的耦合会使模拟复杂度大大增加。因此，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。

该研究基于新一代国产神威超算平台，研发了包含大气成分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、运行时效性等多方面填补了国内外大气数值模拟的空白。

安虹向《中国科学报》介绍，联合研究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，充分利用系统提供的读写带宽、释放文件系统性能，解决了严重影响iAMAS模拟可扩展性的读写瓶颈;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，在频繁的大规模数据读写的情景下，达到了每小时模拟20小时天气过程的速度，实现了全球3公里空间分辨率大气物理—化学耦合的高效数值模拟试验, 达到了国际领先水平。

“也就是说，目前我们用8.54个小时，就可以完成对7天天气过程的精细预报。”安虹告诉《中国科学报》，“如果没有新一代神威超算这么大的系统、没有一系列超算技术的创新和突破，这种模拟可能一个月都完成不了，就起不到预报的作用了。”

安虹告诉记者，团队下一步希望把更准确、更精细的中长期(10天以上)天气过程和空气质量的预报时间控制在数小时内，为开展长期的高分辨率气候模拟奠定基础。

安虹表示，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，能显著提高极端天气和高影响天气预报的准确性，展现出高空间分辨率和耦合化学反馈效应对数值天气和空气质量预报的重要意义，具有广阔的应用前景。

“我们计划进一步优化该大气模式，提高其计算效率和稳定性，并将其耦合进我国的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其对人类的影响，服务于国家‘双碳’目标的实现。”赵纯说，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分的演变规律。团队也将在该研究的基础上，发展行星高分辨率大气模式，服务于国家的深空探测计划及相关科学研究。(记者 赵广立)

关键词： 新神威算天气 极端天气 高影响天气预报 天气系统 大气数值模拟