近日，中国海洋大学的张绍晴教授、吴立新院士和高阳教授团队，联合清华大学/国家超算无锡中心徐世明副教授、付昊桓教授及刘钊高级工程师，并与中国科技大学等多家单位院所合作，通过引进消化、吸收发展的技术路线，依托最新研制的“神威”异构众核高性能超强计算机，改进通用地球系统模式的动力框架和并行算法，成功研发了分辨率高达大气5公里（也包括12和9公里）、海洋3公里（也包括15、10和5公里）的系列耦合地球系统模式。这代表地球系统数值模拟领域取得的前沿进展。
成果以“神威异构众核高性能计算机上云和亚中尺度解析的耦合地球系统模式研发”为题，发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）上。张绍晴为第一作者，张绍晴、徐世明、付昊桓、吴立新、刘钊及高阳为共同通讯作者。
地球系统模式分辨率亟待提升
地球系统模式将地球表面的海洋、大气、陆面和海冰等，划分成微小的流体单元，根据地球流体的动力学和热力学方程，加上大气化学及海洋生物地球化学过程，计算每一个流体单元的质量和能量收支，从而在超级计算机里模拟地球流体、地球生态环境等地球系统的自然演变，是一整套数据和计算机代码集。地球系统模式一旦与实际观测系统相结合，便能从当前状态出发获得未来状态的演变，形成对未来人类生存环境的预测，是整合观测分析和理论研究成果、推动地球科学发展的科研平台，也是地球科学基础科研成果的应用出口、为社会经济建设等作好环境安全保障服务的基础应用平台。
在地球系统模式建模过程中，基本流体单元的大小（即分辨率）直接决定模式模拟现实世界的精度。基于计算资源条件，学界多年来致力于研发对现实世界更具代表性、能描述天气气候无缝演变的高分辨率地球系统模式，这是连接地球科学基础研究和实际应用的重要纽带，模式发展依赖于实际应用中的问题导向和需求牵引，改进的模式又进一步推动基础研究发展。因此，研发对现实地球系统中复杂多尺度过程更具代表性的高精度地球系统模式，一直是地球科学领域专家学者的梦想。
服务于人类社会发展，地球科学研究已从全球变化的机理探索，迅速上升到全球变化对人类影响及人类生存环境的脆弱性研究，地域上更加强调大背景下的局地天气气候异常，及高影响极端事件的发生机理及可预报性。这一需求不仅要将所有地球系统分量耦合在一起对大尺度气候背景进行模拟预测，也要求对局地的细节性大气海洋过程进行准确模拟，从而无缝隙地对天气气候进行模拟预测。对地球系统模式的分辨率要求也相应迅速提升到公里级。受计算能力限制，高精度地球系统模式的发展进展缓慢。
高精度地球系统模式：满足地球系统多尺度研究需求
我国自主研制的“神威“异构众核超算具有强大的计算能力，为高精度地球系统模式的研发提供了强有力的支撑。科研团队针对传统海洋三级网格过渡带不连续问题，引入并发展了新的海洋网格系统，格距连续变化的新型海洋格点体系（图1）使研发公里级高分辨率耦合模式成为可能、并可持续提高分辨率。同时，通过发展符合地球物理规律的计算方案，科研团队解决了高分辨率耦合积分不稳定性问题（图2）。
图1| 左：经向格距不连续的传统三级网格格点；右：格距连续演变、适合高分辨率模式持续发展的新型三级网格格点
图2 | 上：由于大气海洋运动特征时间尺度不同，戴维斯海峡处出现初始耦合不稳定的例子；下：戴维斯海峡处的例子，通过海洋充分适应的信息融合达到高分辨率耦合积分稳定
新研发的高分辨率地球系统模式能在一定程度上描述海洋中的亚中尺度（图3）和大气中的积云（图4）活动，能改进热带气旋和涡流相互作用的模拟，从而抓住大气海洋中的主要极端天气气候现象。
图3 | 15、10和3公里分辨率海洋模式模拟的中尺度和亚中尺度涡旋统计
图4 | 25公里大气和10公里海洋（25v10）及5公里大气和3公里海洋（5v3）分辨率地球系统模式模拟的热带气旋结构
该研究中，研究人员评估分析了高分辨率耦合地球系统模式产生的物理机制模拟进展：
1）更精确的海洋亚中尺度活动模拟：
由于复杂海底地形和海陆界面及海表强迫等的影响，海水运动是个从米到千公里的多尺度相互作用过程，包含能量串级（从较大尺度向较小尺度传输）和能量逆串级（从较小尺度向较大尺度传输）。当更高分辨率的海洋模式大幅度提高海洋亚中尺度涡旋统计特征时（图3），形成的耦合模式能更加准确地模拟地球系统中的多尺度相互作用过程。
2）更精准的海表温度模拟：
海表温度是地球系统中链接大气-海洋-海冰的桥梁，它的精度对地球系统的模拟非常重要。由于3公里分辨率的海洋模式能更真实地模拟海洋中的中尺度和亚中尺度涡旋活动（图3），这能改进涡流相互作用从而实质性改进海表温度的模拟。
3）更精准的极端降水模拟：
如图5所示，用5公里分辨率大气模式与15、10、5和3公里分辨率海洋模式耦合产生更加精细极端降水分布模拟，揭示精细结构的海表热力强迫对提高极端降水模拟精度的重要作用。
图5 | 不同分辨率的高分辨率耦合模式对极端降水模拟的差异。图为用5公里分辨率大气模式与15、10、5和3公里分辨率海洋模式耦合产生更加精细极端降水分布。
4）更精准的极区海冰流变模拟：
由于复杂地形影响和多尺度复杂热动力过程（如厘米碎冰及千公里冰架）的存在，高精度的海冰模拟极具挑战性。提高计算热动力收支基本流体单元的分辨率是关键性的第一步。如图6示，用5公里分辨率的大气模式与15和3公里分辨率的海洋模式耦合能产生更加精细的北极海冰辐合辐散及切变分布，为海冰的高精度模拟打下坚实的基础。
图6 | 高分辨率耦合模式精细海冰辐合辐散及切变模拟。图为用5公里分辨率大气模式与15和3公里分辨率海洋模式耦合产生更加精细的北极海冰辐合辐散(+)及切变分布。
意义及前景
该系列高分辨率耦合地球系统模式能满足地球系统多尺度研究需求，为快速推进完全解析云和海洋亚中尺度活动的地球系统模式研发，以及无缝隙天气气候可预报性研究奠定坚实基础。