中国海洋大学等在千米尺度高分辨率耦合地球系统模式研发领域取得新进展
近日，由中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心张绍晴教授、吴立新院士和高阳教授团队，联合清华大学/国家超算无锡中心徐世明副教授、傅昊桓教授及刘钊高级工程师，并与中国科技大学等多家单位院所合作，通过引进消化、吸收发展的技术路线，依托最新研制的“神威”异构众核高性能超强计算机，改进通用地球系统模式的动力框架和并行算法，成功研发了分辨率高达大气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）的系列耦合地球系统模式，成果以“神威异构众核高性能计算机上云和亚中尺度解析的耦合地球系统模式研发”为题，发表于National Science Review，彰显了地球系统数值模拟领域的最新前沿进展。地球系统模式将地球表面的海洋、大气、陆面和海冰等，划分成微小的流体单元，根据地球流体的动力学和热力学方程，加上大气化学及海洋生物地球化学过程，计算每一个流体单元的质量和能量收支，从而在超级计算机里模拟地球流体、地球生态环境等地球系统的自然演变，是一整套数据和计算机代码集。地球系统模式一旦与实际观测系统相结合，便能从当前状态出发获得未来状态的演变，形成对未来人类生存环境的预测，是整合观测分析和理论研究成果、推动地球科学发展的科研平台，也是地球科学基础科研成果的应用出口、为社会经济建设和军事建设做好环境安全保障服务的基础应用平台。我国自主研制的“神威”异构众核超算具有强大的计算能力，为高精度地球系统模式的研发提供了强有力的支撑。科研团队针对传统海洋三级网格过渡带不连续问题，引入并发展了新的海洋网格系统，格距连续变化的新型海洋格点体系（图1）使研发千米级高分辨率耦合模式成为可能、并可持续提高分辨率。同时，通过发展符合地球物理规律的计算方案，科研团队解决了高分辨率耦合积分不稳定性问题。
图1 左：经向格距不连续的传统三级网格格点；右：格距连续演变、适合高分辨率模式持续发展的新型三级网格格点
新研发的高分辨率地球系统模式能在一定程度上描述海洋亚中尺度（图2）和大气积云（图3）活动，能改进热带气旋和涡流相互作用的模拟，从而抓住大气海洋中的主要极端天气气候现象。例如，由于复杂海底地形和海陆界面及海表强迫等的影响，海水运动是从米到千公里的多尺度相互作用过程，包含能量串级（从较大尺度向较小尺度传输）和能量逆串级（从较小尺度向较大尺度传输）。当高分辨率的海洋模式大幅度提高海洋亚中尺度涡旋统计特征时，能更加准确地模拟地球系统中的多尺度相互作用过程。
图2 15、10和3千米分辨率海洋模式模拟的中尺度和亚中尺度涡旋统计
图3 25千米里大气和10千米海洋（25v10）及5千米大气和3千米海洋（5v3）分辨率地球系统模式模拟的热带气旋结构
该系列高分辨率耦合地球系统模式能满足地球系统多尺度研究需求，为快速推进完全解析云和海洋亚中尺度活动的地球系统模式研发奠定坚实基础，为实现局地细节性大气海洋过程的准确模拟及天气气候无缝隙模拟预测提供重要支撑。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad069
本文来源：中国海洋大学
