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中国科大等在新一代神威超级计算机上首次实现地球系统跨圈层相互作用的超大规模模拟

2023.10.08

近日，美国计算机学会公布了获得首届戈登·贝尔气候建模奖提名的研究工作名单。中国科学技术大学在新一代神威超级计算机上的应用成果（Establishing a Modeling System in 3-km Horizontal Resolution for Global Atmospheric Circulation Triggered by Submarine Volcanic Eruptions with 400 Billion Smoothed Particle Hydrodynamics）获得提名。

人类有记录以来，致命的自然灾害包括地震、火山爆发、海啸、飓风和洪水等。其中，大规模火山爆发是最致命的和对人类生存环境影响最深远的自然灾害之一。海底火山爆发不仅会迅速引发大范围的海啸，而且会在数天内引发大规模闪电、短期暴雨、洪水等气象灾害，并可能导致持续数月甚至数年的长期气候影响。

自然和人类活动引起的气候变化对人类适宜生存的地球环境带来了挑战。然而，受研究领域分工的影响，目前针对地震、火山、海洋和大气的模拟和预测系统的研究是相对独立的。例如，对海洋和大气的模拟一般基于流体力学的模拟方法；而对地震和火山的模拟涉及岩石和板块的运动和断裂，一般采用基于固体力学的模拟方法。同时，受限于数值建模方法和计算能力的不足，目前国际上尚未建立多圈层的耦合模拟系统，以针对紧密关联的地震、火山、海洋和大气活动进行耦合建模和模拟。

本研究将多介质多相界面运动光滑粒子动力学建模方法（vSPH）与高分辨率大气物理和化学全耦合建模方法（iAMAS）有机结合，自主设计了vSPH/iAMAS软件，建立了一套从局部10米到全球3公里超高空间分辨率的火山喷发和大气环流跨圈层的模拟系统，在新一代神威超级计算机上，使用39,00万个处理器核，在100公里×100公里×60公里的区域内对汤加海底火山喷发与大气环流的全过程进行了模拟，捕捉了火山爆发从冲击波、地震、海啸、蘑菇云到随后6-7天火山灰和水汽的运动扩散，初步获得了由火山喷发产生的地震活动以及同时发生的海洋和大气现象全耦合的相互影响效应。首届戈登·贝尔气候建模奖委员会主席John Taylor认为，这一成果标志着研究地质构造过程与气候变化相互作用的能力取得了重大突破，为应对未来类似的全球性自然灾害事件提供了开发模拟和预警系统的方法。

本研究采用数据流驱动执行的高性能计算软件实现技术，用于解决在国产超大规模并行系统上科学与工程计算软件设计和优化面临的重大挑战和技术难题。该工作的主要创新包括：基于改进的光滑粒子动力学黎曼求解算法和自适应粒子分裂融合算法，实现了从连续到离散一体化的高效动态计算模拟，可以高保真地捕获强激波间断界面的动力学演化过程；通过从分布式计算节点到多核处理器的多层次并行算法设计，充分利用神威众核芯片和异构系统架构特点，实现了细粒度的向量并行计算、数据布局优化、计算与通信重叠的非阻塞通信；采用基于Cell的邻居列表构建方法实现数据的重新组织与访存优化，解决了由粒子运动、迁移引起的访存带宽受限和延迟容忍问题；基于动态自适应区域划分的动态负载均衡策略，攻克了4000亿粒子模拟过程中的极端负载不平衡问题；结合新神威超级计算机网络拓扑和文件系统的特点，通过网格数据重排和通信划分，实现了超大并行规模下的多文件I/O策略，解决了高分辨率读、写数据量指数级增加导致的严重I/O瓶颈。

本研究由中国科大、崂山实验室和国家并行计算机工程技术研究中心组成的高性能计算与工程力学、大气物理、固体地球物理、物理海洋多学科交叉协作团队完成。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科大“双一流工程”研究基金等的资助。崂山实验室和中国科大超算中心等为本研究提供了超算资源的支持。

相互作用超级计算机地球系统跨圈层

中国科学技术大学

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