近日，由海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“卓越科學(xué)家”、中國(guó)海洋大學(xué) “筑峰人才工程”第一層次教授、海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室張紹晴教授首席領(lǐng)導(dǎo)和海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室多位專家學(xué)者主導(dǎo)參與的高分辨率地球系統(tǒng)模式發(fā)展取得突破性進(jìn)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(shí)現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)眾核“神威·太湖之光”機(jī)器上的算法改造和優(yōu)化，這也標(biāo)志著我國(guó)新型國(guó)產(chǎn)眾核超算已完全具備與傳統(tǒng)“多核同構(gòu)”相同的大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算能力。

氣候變化是當(dāng)今全球發(fā)展面臨的最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)地球表面多圈層流體運(yùn)動(dòng)方程在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行離散編程形成的地球系統(tǒng)模式，可以對(duì)地球表面的氣候狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬；用人類觀測(cè)系統(tǒng)初始化后地球系統(tǒng)模式可以預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)未來(lái)氣候狀態(tài)的演變。地球系統(tǒng)模式是地球氣候科學(xué)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(duì)現(xiàn)實(shí)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(jí)計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱“超算”）能力的制約。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)核芯架構(gòu)的高能耗限制了超算性能的提升，用于大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算的超算發(fā)展已到了一個(gè)瓶頸階段。我國(guó)自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的“神威·太湖之光”超算系統(tǒng)采用“眾核異構(gòu)”設(shè)計(jì)理念，芯片內(nèi)部包含主核和從核兩種核心架構(gòu)，在大規(guī)模提升運(yùn)算能力的同時(shí)，能合理控制系統(tǒng)能耗，符合當(dāng)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(gòu)芯片，給以包含數(shù)據(jù)依賴循環(huán)體為基本特征的科學(xué)計(jì)算帶來(lái)極大的算法設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。由海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)際高分辨率地球系統(tǒng)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室（iHESP）、中國(guó)海洋大學(xué)、國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心等多家單位的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)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(jìn)、使用最廣泛的地球系統(tǒng)模式之一）在“神威·太湖之光”機(jī)器上的算法改造和優(yōu)化，以及近千年的穩(wěn)定積分和結(jié)果科學(xué)驗(yàn)證。這標(biāo)志著新型的國(guó)產(chǎn)眾核超算已完全具備與傳統(tǒng)“多核同構(gòu)”相同的大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)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(duì)全球氣候變化更加精細(xì)化的理解，進(jìn)而提升我們對(duì)未來(lái)氣候變暖背景中這些現(xiàn)象變異的預(yù)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的匹配度；在1950-2018年期間，全球平均每年觀測(cè)到的熱帶氣旋約為82個(gè)，目前廣為使用的低分辨率模式僅模擬出平均每年23個(gè)，而我們的高分辨率模擬結(jié)果是每年85個(gè)。此外，模式在“神威·太湖之光”機(jī)器上模擬的熱帶氣旋與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)等低頻氣候現(xiàn)象的相關(guān)關(guān)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(yù)期，與客觀世界中的觀測(cè)表現(xiàn)更為一致。

圖 熱帶氣旋在1950-2018年期間觀測(cè)（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(qiáng)度（美國(guó)NOAA標(biāo)準(zhǔn)）。垂直虛線分隔不同的熱帶氣旋區(qū)。

地球系統(tǒng)科學(xué)正在實(shí)現(xiàn)從純基礎(chǔ)研究到基礎(chǔ)研究與社會(huì)保障服務(wù)緊密結(jié)合的轉(zhuǎn)變，為打造宜居地球作強(qiáng)有力的科學(xué)支撐和環(huán)境服務(wù)保障。這要求無(wú)論基礎(chǔ)研究，還是環(huán)境保障的預(yù)警服務(wù)平臺(tái)，都必須更關(guān)注高影響的中小尺度極端海洋大氣現(xiàn)象，從機(jī)理揭示到過(guò)程再現(xiàn)都向更加精細(xì)化方向發(fā)展，模式的分辨率在這個(gè)過(guò)程中起著決定性的作用。高分辨率地球系統(tǒng)模式在國(guó)產(chǎn)眾核“神威·太湖之光”機(jī)器上的算法改造和優(yōu)化成功，是一個(gè)具有突破性意義的工作，為我國(guó)地球科學(xué)研究走高精度自主發(fā)展的道路進(jìn)一步掃清了障礙。

上述突破進(jìn)展近期由地學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Geoscientific Model Development（地球科學(xué)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(gòu)超級(jí)計(jì)算平臺(tái)（神威·太湖之光）上的優(yōu)化”為題在線報(bào)道，該成果由張紹晴教授領(lǐng)銜，清華大學(xué)付昊桓教授等來(lái)自國(guó)內(nèi)多家合作單位的近50位研究者共同完成。