我国实现全球公里级气候海洋模拟的性能可移植与科学试验双重突破

IT之家 5 月 8 日消息，据中国气象消息，中国科学院大气物理研究所、崂山实验室和中国科学院计算机网络信息中心等单位联合攻关，成功构建全球首个水平分辨率达 1 公里的全球海洋环流模式 LICOMK++，该模式近日在跨异构超算平台实现全球公里级气候海洋模拟的性能可移植与科学试验双重突破。

据介绍，海洋是地球气候系统中重要的能量和碳汇调节器，吸收了超过 90% 的全球变暖所带来的新增热量以及 30% 以上的人为二氧化碳排放。近年来，随着极端气候事件频发，对海洋中涡旋、锋面等中小尺度过程的模拟和理解，成为提高气候预测精度的关键。

▲全球 1 公里模拟 2016 年 1 月 19 日的表面海洋动能

IT之家从中国气象获悉，此次构建的 LICOMK++ 模式，将全球海洋模拟分辨率提升至 1 公里，能够直接模拟海洋中的亚中尺度过程，相当于在全球“海洋地图”上嵌入一副“显微镜”，可精确捕捉海洋涡旋和锋面等复杂动力过程。这些精细的海洋动力过程直接影响着全球热量和物质的输运与分布，对于理解与预测极端气象事件（如海洋热浪、台风、极端降水等）具有重要作用。

模式试验结果显示，LICOMK++ 能够再现多个关键海区的中小尺度环流结构，并展现出较强的过程模拟能力。这些过程对全球热量与物质的输运分布具有显著影响，也与海洋热浪、强台风、极端降水等事件的发生和强度密切相关。通过这一模式，气象部门可以获得更高质量的海洋初始场信息和边界条件数据，有助于提升全球和区域海洋环境变化气候预测能力。

目前，该研究成果已获得中国计算机学会 HPC China 2024 超算年度最佳应用奖，并入围世界高性能超算应用领域最高奖 —— 戈登・贝尔气候建模奖，是 2024 年全球仅有的三个入围成果之一。

支撑高分辨率模式高效运行三大技术突破如下：

在异构平台性能可移植方面，研究团队以 Kokkos 为编程框架，通过设计和优化统一内存管理和异构模板编程技术，为国产异构超算体系结构和编程模型多样性所造成的“编程墙”问题提供了全新有效的解决方案，实现模式编码在曙光、神威、华为、英伟达等异构超算平台的性能可移植。 在大规模并行方面，团队通过去除非海洋点、重排网格点技术和区域适应的边界通信算法，以及流水线数据传输技术，成功突破全球 1 公里水平分辨率每天 1 模式年的性能挑战，在多个平台实现全球 1 公里整机并行效率超过 50%，为全球公里尺度模式在模拟和业务预报中的应用提供参考。 在模拟能力方面，LICOMK++ 实现全球 1 公里水平分辨率海洋环流真实模拟，在表达海洋中尺度 — 亚中尺度过程以及刻画复杂海陆地形对海流的效应方面实现质的飞跃，展现出在捕捉强烈且快速变化的海洋过程方面的潜力。

未来，该模式可通过与地球系统模式的其他模块耦合，进一步推动对地球多圈层相互作用的全面理解。同时，随着对高质量数据需求的提升，LICOMK++ 也可作为“数字孪生海洋”的基础工具，支持新一代数据驱动型决策系统建设，可在助力全球气候治理、推进可持续发展等方面发挥科技支撑作用。