气象与超算的不解之缘-中国气象局
如今，预测天气和气候已成为世界上最复杂的问题之一杨宽生，涉及诸多不同因素和学科。虽然这门学问的起点大多基于观测——例如古代通过观察各种现象预报天气——但从20世纪50年代开始，数值模式预报方法逐步取得了成功，并展示了预报的有效性。从为防御极端天气、应对气候变化提供科学支持，到为日常生活规划提供便利，数值模式正融入整个社会的运转邦定 。
目前，全球超算大会（SC17）正在美国丹佛举行。此次大会最大的悬念之一，便是今年的戈 登·贝尔奖花落谁家。去年此时，我国凭借运行于神威·太湖之光的气象应用“千万核可扩展大气动力学全隐式模拟”实现了这一奖项“零的突破”。而今年又有两项基于神威·太湖之光的应用进入该奖终选名单，其中一项主题为气候模式。现在，邀请你一同探秘神威·太湖之光上这位气候新星，并盘点气象与超级计算机的不解情缘。
这就要提到数值模式了。
什么是数值模式
数值天气预报是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。
当时分析天气图和读取数据等工作，都是人工进行的，这些工作所费的时间，比当时在电子计算机上的计算时间(试验)大10倍左右。为了提高工作效率并减少人为的误差庄端儿 ，从1954年起，人们相继提出一些用电子计算机进行客观分析和自动处理资料的方法。不久，从收报到分析预报，都开始实现了自动化。
为数值模式安装"加速器 "
60多年来冷君虐妃，数值模式已经从一个简单的正解方程发展到世界上最复杂的软件项目之一，常常包含数百万条代码，涉及数百甚至数千名来自不同研究机构和组织的贡献者。随着数值模式的发展，精度提高，相应对计算能力的需求也在不断增加。如今的气候模式可以轻易占满高端计算设备的所有可用资源。
在计算能力需求持续增长的同时，高性能计算架构的路线图也有所变化。大多数近年来出现的尖端超级计算机都配备了多核芯片（如天河2号、泰坦6号等）的异构体系结构。神威·太湖之光是其中一个极端的例子，它提供了超过1000万个内核、125PFlops （1PFLOPS等于每秒1×1015次浮点运算）的峰值性能。
“天河二号”超级计算机
这种架构变化给编程带来了严峻的挑战。无论是计算体系结构，还是内存层次，都发生了根本改变张茜儿 。例如太阳战队，每个神威·太湖之光处理器在一个芯片上提供 260个并行核心田中斗笠王，而在核心内部，缓存被用户控制的临时存储器替代异世帝尊。在设计数值模式时，这些激进的变化需要完全不同的设计和编程理念。
因此，数值模式此前在气候领域留下的数百万行代码，几乎不可能从新的超级计算机中获得性能优势。如何应用这些遗留代码反而是一个障碍。但这些代码涉及数百种物理、化学等方面的科学成果，甚至涵盖了经济计划的影响，并不能轻易抛弃。这种情形使得气候模式的改进变得更加困难。因此，大部分现有的项目仍然主要针对模式的某些部分，如动力学核心。部分项目能够移植完整的模式，但这些模式还远没有达到全球大气模式的复杂程度。
项目组选择了气候变化研究中有广泛应用的公共大气模式（Community Atmosphere Model ，CAM）， 以OpenACC为基础，韩惠淑将其重构优化到神威·太湖之光系统中。这是第一次将这样一个复杂的模式迁移到完全不同的硬件体系结构，在 CAM原有的75万行代码中李允熹，约有15万行被修改，新代码也超过5万行。
为了探索可能的解决方案，让数值模式在神威· 太湖之光上更有效率地运转林平和，项目组对动力学核心和物理方案进行了广泛重构，对整个模式进行移植和优化，甚至重新设计。
在第一阶段，模拟速度达到每天2.81模拟年，将CAM拓展到150万个核心。然后潜移默化造句，项目组以更具侵略性和挑战性的方式，对动态核心进行更精细的重新设计，以实现更好的内存控制、更有效的向量化。最终，CAM被完全移植到神威·太湖之光，并提供了一个千万亿次级别气候模型演示。移植后，模式分辨率达到25公里，每天可以计算3.4个模拟年。
除了显著的性能改进之外，运行在神威·太湖之光上的CAM使得人们能够对“卡特里娜”飓风的整个生命周期进行模拟运算，观察其轨道和强度会因为哪些因素发生变化周炜老婆。此外，项目组也借此机会探讨了当超级计算机过渡到下一个时代（每秒100亿亿次浮点 运算，即1EFLOPS）时，许多大型科学应用将面临的潜在挑战和解决方案。
卡特里娜飓风
数值模式如何借力神威·太湖之光
神威·太湖之光是世界首台峰值运行速度超过十亿亿次的超级计算机伊建莉，也是我国首台全部采用国产处理器构建的超级计算机。如果将中国气象局研发的数值模式移植到神威·太湖之光系统杨蕊伊，将获得较大提升。2016年7月，国家气象信息中心联合数值预报中心、国家气候中心等模式研发单位，与江南计算技术研究所、无锡超算中心、清华大学等科研单位深入合作，组成联合技术小 组，移植GRAPES全球模式与BCC_AGCM模式。这也是中国气象局在天气和气候领域的代表性模式马瑞曼。
神威·太湖之光
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文章来源｜中国气象报社
图片来源｜中国气象报社 网络
责任编辑｜大淼
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