近日，由海洋試點國家實驗室“卓越科學家”、中國海洋大學 “筑峰人才工程”第一層次教授、海洋動力過程與氣候功能實驗室張紹晴教授首席領導和海洋試點國家實驗室多位專家學者主導參與的高分辨率地球系統(tǒng)模式發(fā)展取得突破性進展，高分辨率（10公里海洋+25公里大氣）通用地球系統(tǒng)模式（CESM）成功實現(xiàn)在國產眾核“神威·太湖之光”機器上的算法改造和優(yōu)化，這也標志著我國新型國產眾核超算已完全具備與傳統(tǒng)“多核同構”相同的大規(guī)模科學計算能力。

氣候變化是當今全球發(fā)展面臨的最復雜、最具挑戰(zhàn)性的問題之一。通過對地球表面多圈層流體運動方程在超級計算機上進行離散編程形成的地球系統(tǒng)模式，可以對地球表面的氣候狀態(tài)進行數(shù)值模擬；用人類觀測系統(tǒng)初始化后地球系統(tǒng)模式可以預報預測未來氣候狀態(tài)的演變。地球系統(tǒng)模式是地球氣候科學研究的重要工具。地球系統(tǒng)模式中離散流體單元的大小，即分辨率，直接決定了它對現(xiàn)實世界的模擬能力和代表性；高分辨率地球系統(tǒng)模式的研發(fā)又直接受超級計算機（簡稱“超算”）能力的制約。傳統(tǒng)計算機核芯架構的高能耗限制了超算性能的提升，用于大規(guī)?？茖W計算的超算發(fā)展已到了一個瓶頸階段。我國自主設計生產的“神威·太湖之光”超算系統(tǒng)采用“眾核異構”設計理念，芯片內部包含主核和從核兩種核心架構，在大規(guī)模提升運算能力的同時，能合理控制系統(tǒng)能耗，符合當今節(jié)能減排科技發(fā)展的世界潮流。但主從核融合的異構芯片，給以包含數(shù)據(jù)依賴循環(huán)體為基本特征的科學計算帶來極大的算法設計挑戰(zhàn)。由海洋試點國家實驗室國際高分辨率地球系統(tǒng)預測實驗室（iHESP）、中國海洋大學、國家超級計算無錫中心、國家超級計算濟南中心等多家單位的聯(lián)合研究團隊歷經三年的努力，完成了高分辨率（10公里海洋+25公里大氣）通用地球系統(tǒng)模式（CESM）（注：CESM是目前世界上最先進、使用最廣泛的地球系統(tǒng)模式之一）在“神威·太湖之光”機器上的算法改造和優(yōu)化，以及近千年的穩(wěn)定積分和結果科學驗證。這標志著新型的國產眾核超算已完全具備與傳統(tǒng)“多核同構”相同的大規(guī)?？茖W計算能力。

10公里海洋+25公里大氣的高分辨率通用地球系統(tǒng)模式由大氣、陸地表面、海洋、海冰和河流徑流等諸多模塊組成，能夠直接模擬熱帶氣旋、海洋渦及鋒面等中小尺度大氣海洋極端現(xiàn)象，從而提高對全球氣候變化更加精細化的理解，進而提升我們對未來氣候變暖背景中這些現(xiàn)象變異的預測能力。與低分辨率模式相比，高分辨率地球系統(tǒng)模式模擬出的年均熱帶氣旋數(shù)量大幅度地提升了與觀測數(shù)據(jù)的匹配度；在1950-2018年期間，全球平均每年觀測到的熱帶氣旋約為82個，目前廣為使用的低分辨率模式僅模擬出平均每年23個，而我們的高分辨率模擬結果是每年85個。此外，模式在“神威·太湖之光”機器上模擬的熱帶氣旋與厄爾尼諾-南方濤動等低頻氣候現(xiàn)象的相關關系，以及在全球變暖背景下熱帶氣旋的地域變化性等，比低分辨率模式模擬更符合理論預期，與客觀世界中的觀測表現(xiàn)更為一致。

圖 熱帶氣旋在1950-2018年期間觀測（頂部）、高分辨率模擬（左下）和低分辨率模擬（右下）。不同的顏色表示不同的熱帶氣旋強度（美國NOAA標準）。垂直虛線分隔不同的熱帶氣旋區(qū)。

地球系統(tǒng)科學正在實現(xiàn)從純基礎研究到基礎研究與社會保障服務緊密結合的轉變，為打造宜居地球作強有力的科學支撐和環(huán)境服務保障。這要求無論基礎研究，還是環(huán)境保障的預警服務平臺，都必須更關注高影響的中小尺度極端海洋大氣現(xiàn)象，從機理揭示到過程再現(xiàn)都向更加精細化方向發(fā)展，模式的分辨率在這個過程中起著決定性的作用。高分辨率地球系統(tǒng)模式在國產眾核“神威·太湖之光”機器上的算法改造和優(yōu)化成功，是一個具有突破性意義的工作，為我國地球科學研究走高精度自主發(fā)展的道路進一步掃清了障礙。

上述突破進展近期由地學領域國際權威學術期刊Geoscientific Model Development（地球科學模式研發(fā)）以“Optimizing High-Resolution Community Earth System Model on a Heterogeneous Many-Core Supercomputing Platform”/“高分辨率通用地球系統(tǒng)模式在眾核異構超級計算平臺（神威·太湖之光）上的優(yōu)化”為題在線報道，該成果由張紹晴教授領銜，清華大學付昊桓教授等來自國內多家合作單位的近50位研究者共同完成。