先進(jìn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟：2026氣象領(lǐng)域聯(lián)想算力應(yīng)用研究報(bào)告

1氣象領(lǐng)域聯(lián)想算力應(yīng)用研究報(bào)告2 一、數(shù)值天氣預(yù)報(bào) 二、數(shù)值海洋預(yù)報(bào) （一）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)介紹 （二）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)模式分類(lèi) 9（三）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) （四）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)與高性能計(jì)算 11三、環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào) （一）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)介紹 （二）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的模式分類(lèi) （三）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) （四）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)與高性能計(jì)算 21 22 3家朱爾.查尼、數(shù)學(xué)家約翰.馮.諾依曼和拉爾夫.皮奧特領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在ENIAC上進(jìn)行了世界上第一次成功的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)計(jì)算。盡管ENIAC的預(yù)報(bào)效果非常粗糙且不報(bào)奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，驗(yàn)證了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的可行性，預(yù)測(cè)出海洋與空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。在氣象領(lǐng)域，AI模型能夠從海量歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)復(fù)雜的非線性天氣演變規(guī)律，極大提升了中短期天氣預(yù)報(bào)件進(jìn)行更早預(yù)警。算力則支撐起更高分辨率的數(shù)值模型與復(fù)雜的AI算法訓(xùn)練，實(shí)于空氣質(zhì)量，AI能精準(zhǔn)追蹤污染源、模擬污染物擴(kuò)散路徑，并量化不同排放源的4一、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)根據(jù)預(yù)報(bào)區(qū)域的不同，可以將數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式分為全球模式和有限區(qū)域模式，全球模式的預(yù)報(bào)區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)地球，有限區(qū)域模式的預(yù)報(bào)區(qū)域?yàn)榈厍虻囊徊糠?。根?jù)網(wǎng)格分辨率的不同，天氣預(yù)報(bào)模式可分為大尺度模式度模式。根據(jù)預(yù)報(bào)時(shí)間的不同，可以將天氣預(yù)報(bào)模式分為長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模式、中期預(yù)報(bào)模短時(shí)預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)時(shí)間小于1天。根據(jù)控制方程性質(zhì)的不同，可以將天氣預(yù)報(bào)模式據(jù)控制方程離散方法的不同，可分為譜模式、有限差分模式、有限元模式、有限體積模式等。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，不同模式可以選擇不同的坐標(biāo)系，對(duì)原始方程進(jìn)行相應(yīng)的變換，生成模式對(duì)應(yīng)的控制方程。關(guān)于控制方程數(shù)值解法，譜方法主要用于全球5模式，在有限區(qū)域模式中很少用到。有限差分?jǐn)?shù)值模式工作流程一般可分為前處理、主模式和后處理三個(gè)過(guò)程。前處理進(jìn)行資計(jì)算大氣中各個(gè)因素的未來(lái)變化；后處理主要是指概率預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)可視化預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)的新一代天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)和與之相適應(yīng)的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)體系。建立了包括全球中期預(yù)報(bào)，有限區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)，熱帶氣旋路徑數(shù)值預(yù)報(bào)，沙塵暴，空氣質(zhì)量和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用，業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)水平明顯提高。中短期天氣預(yù)報(bào)初步實(shí)現(xiàn)了從手工繪制天氣圖，以預(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)為主要方法的傳統(tǒng)作業(yè)方式向以數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，人機(jī)交互氣象信息加工處理系統(tǒng)為平臺(tái)的新的預(yù)報(bào)制作方式的過(guò)渡。臺(tái)全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)可用時(shí)效可達(dá)10天以上；水平分辨率達(dá)1千米的中尺度數(shù)值預(yù)區(qū)域精細(xì)化預(yù)報(bào)成為各地氣象局等相關(guān)單位的發(fā)展方向。精細(xì)化以及時(shí)間和空間的無(wú)縫隙預(yù)報(bào)是必然的選擇。集合預(yù)報(bào)技術(shù)將在不同時(shí)空尺度和不同對(duì)象的預(yù)報(bào)中發(fā)揮重要作用，成為災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和延伸預(yù)報(bào)的最主要手段。在數(shù)據(jù)同化方面，各種資料的同化與融合，特別是衛(wèi)星、雷達(dá)資料，不僅是員提供時(shí)空分辨率更高，協(xié)調(diào)一致的實(shí)況場(chǎng)的需要。在氣象服務(wù)方面，專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)的精細(xì)化，個(gè)性化和針對(duì)性要求顯著提高。除了能提供準(zhǔn)確的重大災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)6數(shù)值預(yù)報(bào)在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)需要由單一的天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域向更廣的領(lǐng)域拓展。美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家已開(kāi)始向環(huán)境領(lǐng)域拓展，著眼于天氣對(duì)環(huán)境影響的多樣化預(yù)報(bào)服務(wù)。展望未來(lái)，天氣業(yè)務(wù)將大大突破現(xiàn)有范疇，向地球系統(tǒng)領(lǐng)域延伸，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣及相關(guān)環(huán)境數(shù)值天氣預(yù)報(bào)所需要的計(jì)算能力非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同期普通計(jì)算機(jī)可提供地計(jì)算能力。因此，數(shù)值模式常常運(yùn)行在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)上，是高性能計(jì)算機(jī)的最主要的應(yīng)用國(guó)的天河、太湖之光等，都被用來(lái)運(yùn)行超大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算與氣候模擬應(yīng)用，其模擬WRF：天氣研究與預(yù)報(bào)模式是一個(gè)開(kāi)源、社區(qū)型的中尺度預(yù)報(bào)模式和研究工具，在全球?qū)W術(shù)界和業(yè)務(wù)界應(yīng)用廣泛，具有高度靈活，用預(yù)報(bào)，也廣泛用于科學(xué)研究，是目前應(yīng)用最為廣泛中尺度天氣預(yù)報(bào)模式，幾乎所有國(guó)是中國(guó)自主研發(fā)的區(qū)域模式，成為中國(guó)氣象局區(qū)域天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的主力；該模式針對(duì)中國(guó)的復(fù)雜地形和獨(dú)特的天氣系統(tǒng)進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，對(duì)中國(guó)地區(qū)的暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣有較好的預(yù)報(bào)能力；針對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)的氣候和地形特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，是中國(guó)氣象局全球預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的核心。中國(guó)全球預(yù)報(bào)系A(chǔ)REMS：先進(jìn)區(qū)域預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)是中國(guó)科學(xué)家自主開(kāi)發(fā)的，由武漢暴雨所和中科院大氣所合作開(kāi)發(fā)的中尺度暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)，綜合考慮中國(guó)區(qū)域的地形特點(diǎn)和7適用于時(shí)空尺度很小的中小尺度和風(fēng)暴尺度的天氣系統(tǒng)如龍卷風(fēng)等，在實(shí)時(shí)資料變分ECMWF-IFS，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心-集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)是全球預(yù)報(bào)模式，其在資料同化、模式物理過(guò)程和處理超高分辨率數(shù)據(jù)方面具有優(yōu)勢(shì)，尤其在5-10天中期預(yù)報(bào)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。對(duì)溫帶氣旋、阻塞高壓等大型天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)也較為可靠，是世界各國(guó)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基本思想是將地球大氣劃分為三維網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上，根據(jù)流體力學(xué)和熱力學(xué)的基本物理定律建立一組復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程組，然后利用超級(jí)計(jì)算機(jī)從已知的當(dāng)前大氣狀態(tài)出發(fā)，一步步求解這些方程，從而推算出未來(lái)大氣的演變。網(wǎng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)本質(zhì)上是求解一組描述大氣運(yùn)動(dòng)的納維-斯托克斯方程等非線性偏微大氣被離散化為數(shù)百萬(wàn)至數(shù)億個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。每個(gè)時(shí)間步，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的動(dòng)力框架、物理過(guò)程計(jì)算在很大程度上計(jì)算任務(wù)可以在空間上進(jìn)行域分解，分配給成千上萬(wàn)個(gè)處理器核心同時(shí)計(jì)算，適合大規(guī)模MPI+存網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算獨(dú)立，但相鄰網(wǎng)格點(diǎn)之間需要交換計(jì)算氣壓梯度、平流輸送數(shù)通信開(kāi)銷(xiāo)成為性能瓶頸的關(guān)鍵。高性能計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬性能至關(guān)重要。計(jì)算與通信求模式需要將整個(gè)三維大氣狀態(tài)包括溫隨著分辨率提高，內(nèi)存需求呈立方級(jí)和并行文件系統(tǒng)；I/O往往成為8式模式包含動(dòng)力框架和物理過(guò)程參數(shù)化。動(dòng)力框架通常具有規(guī)則、可向量化的計(jì)算模式；而物理參數(shù)化則可能是對(duì)CPU的浮點(diǎn)計(jì)算能力和內(nèi)存緩統(tǒng)方程組是強(qiáng)耦合的，變量相互影響。求解通常需要迭代算法，且時(shí)間積分總計(jì)算步數(shù)極其龐大，例如全球要1440步。任何單步計(jì)算的優(yōu)化都會(huì)因步數(shù)巨大而產(chǎn)生顯著影響。在模式運(yùn)行前，需要將海量觀測(cè)資料與短期預(yù)報(bào)場(chǎng)融合，生成最優(yōu)的初始場(chǎng)。這通常涉及求解一個(gè)巨型變分問(wèn)題，計(jì)算成本有時(shí)可與模式積分本身對(duì)算力提出額外的大規(guī)模需求，特別是線性代數(shù)運(yùn)算和優(yōu)化算法,需要專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)庫(kù)和加速器支基于以上計(jì)算特點(diǎn)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)算力提出了近乎貪婪的需求，對(duì)浮點(diǎn)計(jì)算性能需求極高，分辨率決定了成倍的計(jì)算量增加，分辨率加倍，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量增加求大規(guī)模并行且高效率，需要能有效調(diào)度數(shù)千至數(shù)百萬(wàn)個(gè)計(jì)算核心協(xié)同工作的軟件框架和硬件平臺(tái)；需求大容量和高帶寬，高分辨率模式需要TB甚至來(lái)存儲(chǔ)網(wǎng)格變量；需求低延遲、高帶寬互聯(lián)減少進(jìn)程間通信的等待時(shí)間，保證大規(guī)模并行計(jì)算的效率；需求極高的并行I/O吞吐率，用于快速讀寫(xiě)初始場(chǎng)、邊界條件和海數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是典型的計(jì)算與通信雙密集型科學(xué)計(jì)算應(yīng)用。其對(duì)算力的需求來(lái)源于對(duì)更高分辨率、更復(fù)雜物理過(guò)程、更精確初始場(chǎng)的不懈追求。這種需求直接推動(dòng)了文中提到的所有軟件，無(wú)論是開(kāi)源的WRF，還是國(guó)家級(jí)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)如Grapes和IFS，9二、數(shù)值海洋預(yù)報(bào)（一）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)介紹海洋，作為孕育生命的搖籃和連接世界的紐帶，自古至今與人類(lèi)文明的演進(jìn)息息相關(guān)。從漁汛漁場(chǎng)、海上貿(mào)易到氣候變化，人類(lèi)社會(huì)的生存與發(fā)展始終離不開(kāi)對(duì)海洋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的深入認(rèn)識(shí)和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。正是在這一現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)下，地球流體力學(xué)作為一于研究地球自然界中流體宏觀運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，為理解與預(yù)測(cè)海洋現(xiàn)象奠定了理論基二十世紀(jì)六十年代，隨著電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的顯著提升，人類(lèi)邁入了海洋數(shù)值預(yù)報(bào)的研究與試驗(yàn)階段。這一進(jìn)程主要沿著三個(gè)方向逐步推進(jìn)：首先是對(duì)海浪的數(shù)值預(yù)報(bào)研究。早在七十年代初期，科學(xué)家們便已開(kāi)始進(jìn)行海浪的數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)，嘗試通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬和預(yù)測(cè)海浪的生成與傳播。隨后，潮汐的數(shù)值預(yù)報(bào)方法與模擬試驗(yàn)也逐年代啟動(dòng)，并在九十年代進(jìn)入試驗(yàn)性預(yù)報(bào)階段，開(kāi)始對(duì)包括溫、鹽、流及水位隨著同化至數(shù)值模式中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)種類(lèi)日益豐富、數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷優(yōu)化，以及模式物理過(guò)程與計(jì)算方案的持續(xù)完善，海洋數(shù)值模式如今已在基礎(chǔ)研究中發(fā)揮重要作用，并（二）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)模式分類(lèi)按動(dòng)力框架分類(lèi)是最根本的劃分方式。正壓模式假設(shè)密度均勻，僅能模擬由風(fēng)應(yīng)力直接驅(qū)動(dòng)的海流與水位變化，是潮汐和海嘯預(yù)報(bào)的主流工具。而斜壓模式則考慮了溫按空間維度分類(lèi)體現(xiàn)了模式的復(fù)雜度和分辨率，二維模式主要描述海表或垂向平均狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)暴潮漫灘、海表溢油等災(zāi)害預(yù)報(bào)；三維模式則能完整再現(xiàn)海洋的立體結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代海洋溫、鹽、流預(yù)報(bào)的基石，也是研究海洋垂向能量與物質(zhì)輸運(yùn)不按預(yù)報(bào)要素與應(yīng)用分類(lèi)，則直接對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)需求。專(zhuān)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)模式各司其職，如海浪模式專(zhuān)攻風(fēng)浪與涌浪的生成與傳播，海冰模式模擬冰蓋的厚度、密集度與運(yùn)動(dòng)，水質(zhì)（三）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)數(shù)值海洋預(yù)報(bào)是現(xiàn)代海洋科學(xué)與業(yè)務(wù)服務(wù)的核心支柱，它通過(guò)構(gòu)建基于物理定律的海洋數(shù)值模式，并融合日益豐富的如衛(wèi)星、浮標(biāo)等海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)資料同化系統(tǒng)紀(jì)下半葉以來(lái)海洋數(shù)值模式結(jié)合海洋觀測(cè)，逐漸成為海洋動(dòng)力環(huán)境預(yù)報(bào)和研究的主要近些年來(lái)，除大氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式外，相繼有多種海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)模式應(yīng)用于海洋氣象預(yù)報(bào)服務(wù)業(yè)務(wù)，這些預(yù)報(bào)模式有海霧數(shù)值預(yù)報(bào)模式、海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式、風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式、海洋污染物擴(kuò)散數(shù)值預(yù)報(bào)模式。海洋數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品是指利用數(shù)值模擬主觀預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)值預(yù)報(bào)釋用方法是當(dāng)前海洋氣象預(yù)報(bào)的主要方法，為海洋防災(zāi)減災(zāi)、航運(yùn)安全和生態(tài)保護(hù)提供了關(guān)鍵信息。當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是構(gòu)建多系統(tǒng)耦合模式，即這種耦合模式能夠更真實(shí)地反映圈層間的相互作用，是提升中長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)隨著人工智能技術(shù)應(yīng)用到預(yù)報(bào)過(guò)程，AI輔助傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)降本增效。如AI算法可用于優(yōu)化資料同化過(guò)程，更智能地融合異構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)，提升初始場(chǎng)質(zhì)量。AI可構(gòu)建參數(shù)化方案的替代模型，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式更高效地模擬次網(wǎng)格尺度物理過(guò)程，彌補(bǔ)物理模型的不足。AI還能對(duì)高分辨率模式輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)降尺度與偏差校正，低成本地提升產(chǎn)品的局地化精度?；谏疃葘W(xué)習(xí)的模型，直接從海量歷史觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)海洋演變規(guī)律，可在預(yù)報(bào)海表溫度、中尺度渦旋等預(yù)報(bào)精度和速度上得到提（四）數(shù)值海洋預(yù)報(bào)與高性能計(jì)算洋氣象要素和海水溫度、鹽度、海流和海浪等海洋水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行連續(xù)周期性的數(shù)值模擬，將場(chǎng)區(qū)實(shí)測(cè)要素與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，并依托數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)模擬海洋的運(yùn)動(dòng)和大氣一樣遵循一定的規(guī)律，受到流體力學(xué)、熱力學(xué)等物理規(guī)律的支配，并且可以用方程組的形式定量表達(dá)。給定邊界條件，通過(guò)數(shù)值方法求解這些方程以使用不同的坐標(biāo)系和變量，對(duì)原始方程進(jìn)行變換，得到合適的模式控制方程。這些方程的求解需要大量計(jì)算，高性能計(jì)算集群系統(tǒng)是用于海洋數(shù)值模式的運(yùn)算硬件基礎(chǔ)；高性能計(jì)算集群系統(tǒng)將極大的影響數(shù)值模擬的精度和效率；在該系統(tǒng)上部署海洋數(shù)海洋領(lǐng)域模式眾多，多為開(kāi)源軟件，比較常見(jiàn)的應(yīng)用軟件包括：FVCOM、FVCOM：美國(guó)佐治亞海洋學(xué)院實(shí)驗(yàn)室和麻省大學(xué)海洋實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的海洋數(shù)值預(yù)地形區(qū)域，擅長(zhǎng)模擬潮汐、風(fēng)暴潮、生態(tài)水文耦合過(guò)程；采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，能靈活擬合曲折的海岸線和進(jìn)行局部加密，有限體積法保證質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒,雖然非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格效率高，但對(duì)復(fù)雜區(qū)域的模擬需要大量網(wǎng)格單元，并行計(jì)算效率ROMS：較為通用的海洋模式系統(tǒng)、廣泛應(yīng)用于區(qū)域尺度的海洋環(huán)流、上升流參數(shù)化方案和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)同化能力，擁有龐大的用戶(hù)社區(qū)。進(jìn)行高分辨率區(qū)域模擬HYCOM：美國(guó)邁阿密大學(xué)開(kāi)發(fā)的原始方程全球海洋環(huán)流模式，包合廣泛海氣要素，適應(yīng)于層次效應(yīng)顯著的大洋范圍，開(kāi)的海洋環(huán)流預(yù)報(bào)與氣候研究，是美國(guó)海軍業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的核心模式之一。最大特點(diǎn)是層是Z坐標(biāo)，兼具各自?xún)?yōu)點(diǎn)。作為全球或大洋盆地尺度的模式，需要大型超級(jí)計(jì)算中國(guó)在海洋數(shù)值預(yù)報(bào)領(lǐng)域的軟件研發(fā)起步較早，并已經(jīng)建立了自主可控的業(yè)務(wù)撐著我國(guó)在全球氣候變化領(lǐng)域的發(fā)言權(quán)和科學(xué)研究；近海應(yīng)用以FIO-COM和洋預(yù)報(bào)模型通過(guò)學(xué)習(xí)海量的歷史再分析數(shù)據(jù)和觀測(cè)資料，能夠以極快的速度完成傳統(tǒng)數(shù)值模式需要數(shù)小時(shí)才能完成的全球海洋預(yù)報(bào)，在預(yù)報(bào)精度和效率上展現(xiàn)出巨大,這是一個(gè)基于HYCOM框架經(jīng)過(guò)深度國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)和優(yōu)化的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它繼承了HYCOM的混合垂向坐標(biāo)優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)精確描述大洋層化和淺海地形。作針對(duì)中國(guó)近海復(fù)雜的地形和海洋現(xiàn)象，中國(guó)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了更具針對(duì)性的模型全由我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的全球海洋環(huán)流模式，其動(dòng)力候研究計(jì)劃和政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)氣候評(píng)估報(bào)告的核心工具之一，主要用于FIO-COM自然資源部第一海洋研究所-區(qū)域海洋模式，包括海浪-潮流-環(huán)流耦合模式等。其模式特色在于注重多過(guò)程耦合，例如將海浪的混合效應(yīng)參數(shù)化并引入環(huán)流模式，顯著改善了對(duì)上層海洋混合的模擬精度。廣泛應(yīng)用于中國(guó)近海及鄰近大洋這些海洋軟件對(duì)計(jì)算資源要求高，如CMA-OCM全球海洋業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，算力需求高，需要高性能計(jì)算集群。業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)要求每天在固定時(shí)間內(nèi)完成未來(lái)數(shù)天到十天的預(yù)報(bào)，計(jì)算任務(wù)有嚴(yán)格的截止時(shí)間，這需要強(qiáng)大的企業(yè)級(jí)HPC集群計(jì)算力作為的GPU計(jì)算資源，模型需要從海量的歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)物理規(guī)律，這三、環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)（一）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)介紹環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)是一門(mén)通過(guò)科學(xué)方法預(yù)測(cè)未來(lái)空氣污染狀況的學(xué)科，它對(duì)公眾健康、環(huán)境管理和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。其基本原理是基于對(duì)大氣物理和化學(xué)過(guò)程的理解，將大氣視為一個(gè)巨大的反應(yīng)器，通過(guò)數(shù)學(xué)方程組精準(zhǔn)的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)已成為現(xiàn)代城市管理和公共服務(wù)中不可或缺的一環(huán)?？諝赓|(zhì)量預(yù)報(bào)不僅服務(wù)于公眾健康，為易感人群提是政府決策的科學(xué)基石，為啟動(dòng)重污染天氣預(yù)警、制定精準(zhǔn)減排措施提供關(guān)鍵依據(jù),從而有效減緩污染程度。長(zhǎng)期的預(yù)報(bào)與評(píng)估數(shù)據(jù)，有助于我們更深入地理解污染（二）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的模式分類(lèi)乏對(duì)大氣物理化學(xué)過(guò)程的機(jī)理描述，當(dāng)遇到前所未有的污染氣象條件時(shí)預(yù)報(bào)性能會(huì)顯著下降，且在不同區(qū)域間的移植性較差，這些散和拉格朗日軌跡模型為代表，采用相對(duì)簡(jiǎn)化的湍流擴(kuò)散理大氣劃分為三維網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)求解質(zhì)量守恒方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光化學(xué)煙霧等復(fù)粒物等多種污染物的相互影響和轉(zhuǎn)化。美國(guó)的CMAQ、CAMx以及中國(guó)的NAQPMS等模型已成為全球區(qū)域空氣質(zhì)量模擬的主流工具，而WRF-Chem等在線耦合模型更夠從海量歷史數(shù)據(jù)中自動(dòng)學(xué)習(xí)污染物與氣象條件間的復(fù)雜非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)預(yù)（三）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)上。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心等機(jī)構(gòu)依托超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行如CMAQ、EMEP等復(fù)雜的化學(xué)傳輸模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污染物在大氣中物理化學(xué)過(guò)程的精確模擬。這些模型雖際學(xué)術(shù)界呈現(xiàn)出兩大發(fā)展趨勢(shì)：一是積極擁抱人工智能技術(shù)，探索地球系統(tǒng)大模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了媲美傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)的精度，而計(jì)算時(shí)間大幅縮短；美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Aurora模型則展示了AI在高效模擬大氣成分方面的巨大潛力。二是關(guān)注點(diǎn)從區(qū)域研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多物種、多尺度的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)NAQPMS，可以對(duì)城市及區(qū)域尺度一次、二次污染物的演變規(guī)律值進(jìn)行數(shù)值模擬，市區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行預(yù)報(bào)工作。中國(guó)在技術(shù)路線上積極推動(dòng)數(shù)值模式與人工智能的融合創(chuàng)新；在應(yīng)用層面，中國(guó)的預(yù)報(bào)服務(wù)更側(cè)重于解決國(guó)內(nèi)面臨的復(fù)合污染難題，致力于實(shí)現(xiàn)PM2.5與臭氧的協(xié)同模擬與控制，并努力將預(yù)報(bào)精度提升至公里級(jí)精準(zhǔn)化的方向邁進(jìn)。將物理機(jī)制與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)深度融合，利用AI技術(shù)整合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)生成高精度的大氣環(huán)境全景圖，推動(dòng)預(yù)報(bào)服務(wù)向更精細(xì)的時(shí)空尺度發(fā)展，并構(gòu)建統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多圈層環(huán)境問(wèn)題的集成模擬與綜合研判，這些都將是領(lǐng)域發(fā)展的必（四）空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)與高性能計(jì)算NAQPMS模式是中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所自主研發(fā)的區(qū)域城市空氣質(zhì)量模市的環(huán)保部門(mén)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。NAQPMS模式成功實(shí)現(xiàn)多尺度多過(guò)程的數(shù)值模擬，可同時(shí)模擬計(jì)算出多個(gè)尺度的空氣質(zhì)量，在各個(gè)時(shí)步對(duì)各計(jì)算區(qū)域邊界進(jìn)行數(shù)據(jù)交Models-3/CMAQ模式是美國(guó)環(huán)保署極力推廣使用的第三代空氣質(zhì)量模式系統(tǒng),基于“一個(gè)大氣”的理念設(shè)計(jì)完成，考慮大氣中多物種和多相CAMx模式是由美國(guó)ENVIRON公司開(kāi)發(fā)的三維歐拉型城市至區(qū)域尺度空氣質(zhì)量模式，可用于多尺度的、有關(guān)光化學(xué)煙霧和細(xì)顆粒物大氣污染綜合模擬研入了當(dāng)今許多空氣質(zhì)量模式的先進(jìn)技術(shù)，如雙向嵌套技術(shù)、次網(wǎng)恪PIG技術(shù)、化學(xué)WRF-Chem模式是美國(guó)NCAR等氣象組織最新發(fā)展的區(qū)域大氣動(dòng)力主化學(xué)隅合模式，相比其他大氣化學(xué)模式，WRF-Chem優(yōu)點(diǎn)是氣象模式與化學(xué)傳輸模式在時(shí)間和空間分辨率上完全稠合，實(shí)現(xiàn)在線傳輸。WRF-Chem模式考慮平流、擴(kuò)散和對(duì)流、氣溶膠參數(shù)化和光解頻率等過(guò)程。WRF是目前最流行的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)雜偏微分方程組，來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)空氣質(zhì)量狀況的科學(xué)手段。這一過(guò)程計(jì)算量極其存和I/O四個(gè)關(guān)鍵維度上都具有頂尖且平衡的性能，任何一方面的短板都會(huì)成為木四、聯(lián)想在氣象領(lǐng)域的算力平臺(tái)和優(yōu)化圖：聯(lián)想EveryScale天氣與氣候可擴(kuò)展單元對(duì)于需要廣泛可擴(kuò)展性的大型天氣和氣候解決方案，20圖：四組Dragonfly+網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?1聯(lián)想萬(wàn)全異構(gòu)智算平臺(tái)HPC軟件實(shí)現(xiàn)集群軟件管理功能，包括集群管理軟件，集群監(jiān)控軟件，作業(yè)調(diào)度軟件，分布式文件系統(tǒng)軟件等功能，通過(guò)提供一個(gè)統(tǒng)一的圖形界面來(lái)簡(jiǎn)化高性能計(jì)算的操作，圖形化界面分為管理員界面，用戶(hù)界面和操作員界面。聯(lián)想萬(wàn)全異構(gòu)智算平臺(tái)HPC軟件應(yīng)用于天氣和氣候計(jì)算集群，其核心優(yōu)勢(shì)之一在于深度集成業(yè)界領(lǐng)先的SpectrumLSF作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，構(gòu)建了高效、智能的集群管理與任務(wù)調(diào)度中樞。該調(diào)度系統(tǒng)具備高吞吐量的資源調(diào)度能力，通過(guò)成熟豐富的策略庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)計(jì)算資源的精準(zhǔn)分配與優(yōu)化利用。它不僅提供計(jì)算工作流的自動(dòng)化支持，簡(jiǎn)化復(fù)雜任務(wù)流程，更集成了集群優(yōu)化的軟件許可管理功能，有效控制成本并提升軟件使用效率。平臺(tái)擁有廣泛的商用應(yīng)用軟件集成接口，確保各類(lèi)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用能夠無(wú)縫接入并高效運(yùn)行。通過(guò)直觀的運(yùn)營(yíng)儀表板，管理員可以清晰掌握集群實(shí)時(shí)狀態(tài)與作業(yè)執(zhí)行情況。系統(tǒng)還提供智能數(shù)據(jù)暫存區(qū)管理，優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問(wèn)性能，并結(jié)合商業(yè)智能與容量規(guī)劃工具，為集群資源的科學(xué)規(guī)劃和未來(lái)擴(kuò)展提供可靠的數(shù)據(jù)洞察。聯(lián)想萬(wàn)全異構(gòu)智算平臺(tái)借此構(gòu)建了一個(gè)策略成熟、管理自動(dòng)、運(yùn)維可視、規(guī)劃智能的一體化HPC解決方案，顯著提升科研與工程計(jì)算的整體效率。聯(lián)想DSS-G是一款面向高性能計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)及云環(huán)境的可擴(kuò)展存儲(chǔ)解決方案，以“極致性能”為核心設(shè)計(jì)理念，旨在應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該存儲(chǔ)系統(tǒng)提供卓越的性能表現(xiàn)，不僅具備單流讀寫(xiě)超過(guò)10GB/s的極致低延遲吞吐能力，更在宏觀上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2500GB/s以上的實(shí)測(cè)聚合數(shù)據(jù)帶寬，足以滿足海量客戶(hù)端并發(fā)訪問(wèn)的苛刻需求。其創(chuàng)新的Declustered技術(shù)將數(shù)據(jù)分布across所有磁盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了故障后分鐘級(jí)的快速數(shù)據(jù)重建，且重建過(guò)程對(duì)前端應(yīng)用性能幾乎無(wú)影響，極大保障了業(yè)務(wù)連續(xù)性。在架構(gòu)上，DSS-G采用靈活的構(gòu)建模塊，支持從中小規(guī)模到超大規(guī)模集群的平滑橫向擴(kuò)展，確保容量與性能的線性增長(zhǎng)，為用戶(hù)提供了面向未來(lái)的投資保護(hù)。同時(shí)，它集成了客戶(hù)端、塊、文件和對(duì)象等多種數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式，在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上高效支撐多樣化的現(xiàn)代應(yīng)用，消除了數(shù)據(jù)孤島，為復(fù)雜的HPC/AI應(yīng)用管道提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基石。22圖：聯(lián)想高性能存儲(chǔ)和性能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。傳統(tǒng)基于CPU的純MPI并行架構(gòu)已面臨想多年服務(wù)于中國(guó)廣大的氣象和海洋預(yù)報(bào)客戶(hù)由少數(shù)特定的I/O服務(wù)器進(jìn)程統(tǒng)一寫(xiě)入文件系統(tǒng)。利用MPI-IO等標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，結(jié)現(xiàn)計(jì)算與I/O重疊。模式在推進(jìn)計(jì)算的同時(shí)，在后臺(tái)異步地將數(shù)據(jù)寫(xiě)出；專(zhuān)門(mén)的23I/O線程或進(jìn)程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和寫(xiě)入，計(jì)算進(jìn)程在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后立即返回繼續(xù)計(jì)CPU在處理復(fù)雜的物理參數(shù)化和化學(xué)傳輸時(shí)效率不高，GPU憑借其成千上萬(wàn)與串行任務(wù)，GPU負(fù)責(zé)大規(guī)模并行計(jì)算的高效并行特性的算法進(jìn)行編程，同時(shí)精細(xì)管理CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，24該模式采用GPU并行加速技術(shù)，具備對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速計(jì)算的能力，運(yùn)行高效成預(yù)報(bào)結(jié)果。此外，“媽祖”模式在節(jié)能減排方面成效顯著，制作全球10公里分辨率的海洋環(huán)流數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)，相比傳統(tǒng)CPU超