近日，由中國(guó)海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心張紹晴教授、吳立新院士和高陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合清華大學(xué)/國(guó)家超算無(wú)錫中心徐世明副教授、傅昊桓教授及劉釗高級(jí)工程師，并與中國(guó)科技大學(xué)等多家單位院所合作，通過(guò)引進(jìn)消化、吸收發(fā)展的技術(shù)路線(xiàn)，依托最新研制的“神威”異構(gòu)眾核高性能超強(qiáng)計(jì)算機(jī)，改進(jìn)通用地球系統(tǒng)模式的動(dòng)力框架和并行算法，成功研發(fā)了分辨率高達(dá)大氣5千米（也包括12和9千米）、海洋3千米（也包括15、10和5千米）的系列耦合地球系統(tǒng)模式，成果以“神威異構(gòu)眾核高性能計(jì)算機(jī)上云和亞中尺度解析的耦合地球系統(tǒng)模式研發(fā)”為題，發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（NationalScienceReview,NSR），彰顯了地球系統(tǒng)數(shù)值模擬領(lǐng)域的最新前沿進(jìn)展。

地球系統(tǒng)模式將地球表面的海洋、大氣、陸面和海冰等，劃分成微小的流體單元，根據(jù)地球流體的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程，加上大氣化學(xué)及海洋生物地球化學(xué)過(guò)程，計(jì)算每一個(gè)流體單元的質(zhì)量和能量收支，從而在超級(jí)計(jì)算機(jī)里模擬地球流體、地球生態(tài)環(huán)境等地球系統(tǒng)的自然演變，是一整套數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)代碼集。地球系統(tǒng)模式一旦與實(shí)際觀(guān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，便能從當(dāng)前狀態(tài)出發(fā)獲得未來(lái)狀態(tài)的演變，形成對(duì)未來(lái)人類(lèi)生存環(huán)境的預(yù)測(cè)，是整合觀(guān)測(cè)分析和理論研究成果、推動(dòng)地球科學(xué)發(fā)展的科研平臺(tái)，也是地球科學(xué)基礎(chǔ)科研成果的應(yīng)用出口、為社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事建設(shè)做好環(huán)境安全保障服務(wù)的基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)。我國(guó)自主研制的“神威”異構(gòu)眾核超算具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，為高精度地球系統(tǒng)模式的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的支撐。科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)海洋三級(jí)網(wǎng)格過(guò)渡帶不連續(xù)問(wèn)題，引入并發(fā)展了新的海洋網(wǎng)格系統(tǒng)，格距連續(xù)變化的新型海洋格點(diǎn)體系（圖1）使研發(fā)千米級(jí)高分辨率耦合模式成為可能、并可持續(xù)提高分辨率。同時(shí)，通過(guò)發(fā)展符合地球物理規(guī)律的計(jì)算方案，科研團(tuán)隊(duì)解決了高分辨率耦合積分不穩(wěn)定性問(wèn)題。

圖1左：經(jīng)向格距不連續(xù)的傳統(tǒng)三級(jí)網(wǎng)格格點(diǎn)；右：格距連續(xù)演變、適合高分辨率模式持續(xù)發(fā)展的新型三級(jí)網(wǎng)格格點(diǎn)

新研發(fā)的高分辨率地球系統(tǒng)模式能在一定程度上描述海洋亞中尺度（圖2）和大氣積云（圖3）活動(dòng)，能改進(jìn)熱帶氣旋和渦流相互作用的模擬，從而抓住大氣海洋中的主要極端天氣氣候現(xiàn)象。例如，由于復(fù)雜海底地形和海陸界面及海表強(qiáng)迫等的影響，海水運(yùn)動(dòng)是從米到千公里的多尺度相互作用過(guò)程，包含能量串級(jí)（從較大尺度向較小尺度傳輸）和能量逆串級(jí)（從較小尺度向較大尺度傳輸）。當(dāng)高分辨率的海洋模式大幅度提高海洋亞中尺度渦旋統(tǒng)計(jì)特征時(shí)，能更加準(zhǔn)確地模擬地球系統(tǒng)中的多尺度相互作用過(guò)程。


圖215、10和3千米分辨率海洋模式模擬的中尺度和亞中尺度渦旋統(tǒng)計(jì)


圖325千米里大氣和10千米海洋（25v10）及5千米大氣和3千米海洋（5v3）分辨率地球系統(tǒng)模式模擬的熱帶氣旋結(jié)構(gòu)

該系列高分辨率耦合地球系統(tǒng)模式能滿(mǎn)足地球系統(tǒng)多尺度研究需求，為快速推進(jìn)完全解析云和海洋亞中尺度活動(dòng)的地球系統(tǒng)模式研發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)局地細(xì)節(jié)性大氣海洋過(guò)程的準(zhǔn)確模擬及天氣氣候無(wú)縫隙模擬預(yù)測(cè)提供重要支撐。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

通訊員：侯霞

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