中國科大在新一代神威超級計算機上首次實現(xiàn)地球系統(tǒng)跨圈層相互作用的超大規(guī)模模擬

近日，美國計算機學會（ACM）公布了獲得首屆戈登?貝爾氣候建模獎（ACM Gordon Bell Prize for Climate Modelling）提名的研究工作名單。中國科大在新一代神威超級計算機上的應(yīng)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”獲得提名。該獎項從 2023 年開始，將連續(xù)十年每年頒發(fā)一次，旨在表彰并行計算方法和技術(shù)的創(chuàng)新對解決全球氣候危機所做的杰出貢獻。該獎的提名根據(jù)研究團隊將高性能計算技術(shù)應(yīng)用于氣候建模，對氣候建模及其相關(guān)領(lǐng)域，以及對更廣泛的社會所產(chǎn)生的影響和潛在影響選出。

圖1 獲ACM Gordon Bell Prize for Climate Modelling獎提名

戈登?貝爾獎被譽為超算領(lǐng)域的諾貝爾獎，每年頒發(fā)一次,表彰當年在高性能計算領(lǐng)域做出全球最頂尖工作的研究團隊。戈登?貝爾氣候建模獎特別關(guān)注于計算方法的創(chuàng)新所帶來的氣候模擬性能的提升，以及研究團隊增進對地球氣候系統(tǒng)的理解所做出的杰出貢獻。獲獎工作將有助于提高人們對氣候變化后果的認識，同時展示專注于這一領(lǐng)域的研究人員是如何為解決這一重大挑戰(zhàn)問題而做的開拓性科學研究。今年入圍戈登?貝爾氣候建模獎提名的還有來自美國能源部和日本理化研究所的兩個團隊。三個團隊將于今年當?shù)貢r間11月15日在美國丹佛舉行的國際高性能計算大會SC23上作特邀報告，最終獲獎?wù)咭矊⒃诖髸瞎肌?/p>

圖2 海底火山爆發(fā)引發(fā)巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈等發(fā)生劇烈變化和相互作用示意

人類有記錄以來最致命的自然災(zāi)害包括地震、火山爆發(fā)、海嘯、颶風和洪水等。其中，大規(guī)?；鹕奖l(fā)是最致命的和對人類生存環(huán)境影響最深遠的自然災(zāi)害之一。海底火山爆發(fā)不僅會迅速引發(fā)大范圍的海嘯，還會在數(shù)天內(nèi)引發(fā)大規(guī)模閃電、短期暴雨、洪水等氣象災(zāi)害，并可能導致持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年的長期氣候影響。2022年1月15日，南太平洋島國湯加首都努庫阿洛法以北約65公里處的一座名為洪阿哈阿帕伊的火山爆發(fā)，產(chǎn)生的蘑菇云直徑接近500公里，火山灰直沖3.5萬米的高空進入平流層，在衛(wèi)星云圖上清晰可見。它向大氣中注入了大量的水、二氧化硫、硫化氫、氣溶膠、火山灰以及其他氣體。湯加火山爆發(fā)構(gòu)成了一次典型的地球系統(tǒng)突發(fā)變化的過程，巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈等發(fā)生了劇烈的變化和相互作用，產(chǎn)生了廣泛的影響。

自然和人類活動引起的氣候變化給人類適宜生存的地球環(huán)境帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。但是，受研究領(lǐng)域分工的影響，目前針對地震、火山、海洋和大氣的模擬和預(yù)測系統(tǒng)的研究是相對獨立的。例如，對海洋和大氣的模擬一般基于流體力學的模擬方法；而對地震和火山的模擬涉及巖石和板塊的運動和斷裂，一般采用基于固體力學的模擬方法。并且，受限于數(shù)值建模方法和計算能力的不足，目前國際上尚未建立多圈層的耦合模擬系統(tǒng)，能夠針對緊密關(guān)聯(lián)的地震、火山、海洋和大氣活動進行耦合建模和模擬。

本研究將多介質(zhì)多相界面運動光滑粒子動力學建模方法（vSPH）與高分辨率大氣物理和化學全耦合建模方法（iAMAS）有機結(jié)合，自主設(shè)計了vSPH/iAMAS軟件，建立了一套從局部10米到全球3公里超高空間分辨率的火山噴發(fā)和大氣環(huán)流跨圈層的模擬系統(tǒng)，在新一代神威超級計算機上，使用39,00萬個處理器核，在100公里×100公里×60公里的區(qū)域內(nèi)對湯加海底火山噴發(fā)與大氣環(huán)流的全過程進行了模擬，捕捉了火山爆發(fā)從沖擊波、地震、海嘯、蘑菇云到隨后6-7天火山灰和水汽的運動擴散,初步獲得了由火山噴發(fā)產(chǎn)生的地震活動以及同時發(fā)生的海洋和大氣現(xiàn)象全耦合的相互影響效應(yīng)。首屆戈登·貝爾氣候建模獎委員會主席John Taylor認為：本研究工作標志著研究地質(zhì)構(gòu)造過程與氣候變化相互作用的能力取得了重大突破，為應(yīng)對未來類似的全球性自然災(zāi)害事件提供了開發(fā)模擬和預(yù)警系統(tǒng)的方法。

圖3 SPH & iAMAS耦合建模方程、海底火山爆發(fā)觸發(fā)地球多圈層災(zāi)害模擬

本研究采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動執(zhí)行的高性能計算軟件實現(xiàn)技術(shù)，用于解決在國產(chǎn)超大規(guī)模并行系統(tǒng)上科學與工程計算軟件設(shè)計和優(yōu)化面臨的重大挑戰(zhàn)和技術(shù)難題。主要創(chuàng)新包括：（1）基于改進的光滑粒子動力學黎曼求解算法和自適應(yīng)粒子分裂融合算法，實現(xiàn)了從連續(xù)到離散一體化的高效動態(tài)計算模擬,可以高保真地捕獲強激波間斷界面的動力學演化過程；（2）通過從分布式計算節(jié)點到多核處理器的多層次并行算法設(shè)計，充分利用神威眾核芯片和異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)特點，實現(xiàn)了細粒度的向量并行計算、數(shù)據(jù)布局優(yōu)化、計算與通信重疊的非阻塞通信；（3）采用基于Cell的鄰居列表構(gòu)建方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新組織與訪存優(yōu)化，解決了由粒子運動、遷移引起的訪存帶寬受限和延遲容忍問題；（4）基于動態(tài)自適應(yīng)區(qū)域劃分的動態(tài)負載均衡策略，攻克了4000億粒子模擬過程中的極端負載不平衡問題；（5）結(jié)合新神威超級計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲和文件系統(tǒng)的特點，通過網(wǎng)格數(shù)據(jù)重排和通信劃分，實現(xiàn)了超大并行規(guī)模下的多文件I/O策略，解決了高分辨率讀、寫數(shù)據(jù)量指數(shù)級增加導致的嚴重I/O瓶頸。

本研究由來自中國科大、嶗山實驗室和國家并行計算機工程技術(shù)研究中心的研究人員，組成了高性能計算與工程力學、大氣物理、固體地球物理、物理海洋多學科交叉協(xié)作團隊。其中，中國科大計算機科學與技術(shù)學院安虹教授團隊負責大規(guī)模并行算法、并行軟件架構(gòu)設(shè)計及性能優(yōu)化；地球和空間科學學院趙純教授團隊負責高分辨率大氣物理和化學算法及模擬，胡巖教授團隊負責海底火山構(gòu)造及噴發(fā)模型構(gòu)建；工程科學學院黃生洪研究員和羅喜勝教授團隊負責海底火山噴發(fā)的多介質(zhì)、多動力學過程光滑粒子動力學算法及模擬。