曾慶存院士：中科院地球系統模式, 自研巨系統大規模高性能計算_風聞

晨光沖刷着中原城市羣落的核心——鄭州，一羣來自全國從事超級計算機的從業者，成為這座城市新到的訪客。“2020CCF全國高性能計算學術年會”於2020年9月28日召開。

“HPC CHINA”與“德國ISC”、“美國SC”並駕齊驅，被譽為世界三大超算盛會之一，已經歷經15載沉澱。此次大會，曾慶存院士、陳國良院士、劉炯天院士、陳左寧院士、鄔江興院士、孫凝暉院士，兩院6位院士13場特邀報告。

從20世紀70年代開始，“戰略計算機計劃”、“高性能計算和通訊計劃”、“加速戰略計算計劃”、“先進計算設施夥伴計劃”等一系列戰略計劃的推出，引出了高性能計算這個炙手可熱的學術研究方向。

《親愛的數據》在此次年會上獲悉，大會首個報告主題為，《中國科學院地球系統模式(CAS-ESM)》。報告人為2019年國家最高科學獎獲得者、中國科學院大氣物理研究所曾慶存院士。

CAS-ESM是複雜巨系統、大規模高性能計算的典型應用，開發經歷數十年，是我國高度自主化研發的完整地球系統模式。

曾慶存院士談道：“CAS-ESM是巨系統、大規模、高性能計算的一個典型例子。該模式完全是按我國自己的理論思路和框架研製，且其各分系統模式全部或主體部分都是我國自主研製的，有鮮明中國特色，有許多優點或為我國特有。”

從背景知識角度理解，地球系統與人類生活息息相關。將地球上的大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈看成一個有機的整體進行研究，並統一協調全球氣候、生態與環境變化的有關研究，稱為地球系統動力學。其作為一門學科，核心之一是建立地球系統動力學模式的模擬研究。

CAS-ESM是開展地球系統數值模擬必不可少的載體，它集對地球各圈層運動規律認識之集合，將地球各個圈層及其相互作用綜合起來，用系統科學的觀點去研究認識地球，從而成為地球科學研究的基礎工具之一。

曾院士指出：“（為此就）必須研製ESM，用於研究：大氣、海洋和天氣、氣候、洋流的規律，尤其是變化過程。地球各個圈層的相互作用規律（特別是生態和環境以及人類活動影響的過程）、進行預測和調控（特別是生態和環境建設）。從而，處理一到三日的天氣預報，設海洋、陸表可取已知。處理一個月至季度氣候預報（簡化海氣耦合模式），設陸表狀態已知。處理年度氣候變化，尤其生態和環境變化全耦合的地球系統模式。”

CAS-ESM由基於地球系統中的動力、物理、化學和生物過程建立起來的數學方程組（包括動力學方程組和參數化方案）來確定其各個圈層的性狀，由此構成地球系統的數學物理模型。所以，非常複雜。

《親愛的數據》獲悉，從2008年起，美國、英國、日本、 德國、加拿大等發達國家已相繼建立了各自的地球系統模式。

曾院士特別強調了多學科多院所的融合工作特色，他談道：“在計算機上實現算法和軟件，具有高精度、高效、省時、可長時間連續計算。計算過程可實時監控、調節、切換。這得益於研製人員、計算與計算科學多學科團隊與專家高度的融合工作。貢獻者包括，在三維耦合器與嵌套算法方面，何卷雄、張東凌、畢訓強。在陸冰模式方面，張懷、高欣、張東凌。高性能軟件方面，張雲泉、遲學斌、姜金榮、孫家昶、廖方宇、孫凝暉。”

CAS-ESM極其複雜，計算量巨大，對高性能計算機提出了極高要求。 隨着地球系統模式分量模式的增多、複雜度和模式分辨率的提高，高效率計算成為關鍵技術。

CAS-ESM由中科院大氣物理研究所和中科院計算技術研究所等單位合作研製，為了把描述地球表面不同圈層的數值模式分系統耦合到一起，需要一個軟件工具傳遞反映地球表面不同圈層界面間相互作用的信息，我們稱之為耦合器。

CAS-ESM包含多個描述地球表面不同圈層的數值模擬軟件（分量系統），這些分量系統不但可以獨立運行，需要把它們有機的耦合到一起形成統一的地球系統數值模擬系統，需要對各分量模式開發和耦合以及編譯運行進行有效管理。

因此，需要一個很好的耦合集成平台。

曾院士談道：“CAS-ESM是我國自主研製的，在國產超級計算機上實現的，這個很了不起。如果沒有國產超級計算機，（這個事情）就搞不成。這是我們真刀真槍搞的。CAS-ESM大規模數值模擬已參加國際模式比較計劃，部分分系統模式也被國內外廣泛應用。他強調：“用了，還比較廣泛”。

他還談道：“CAS-ESM建立在嚴謹的數學物理理論模式上，整體上符合物理學的規律和數學的適應性。例如封閉系統能量的轉換和總能量的守恆性，總角動量的守恆性，滿足數學上的有解唯一解，解對初邊值條件的穩定性。這個很重要，否則，功勞白費。”

《親愛的數據》據悉，CAS-ESM構建了從全球、區域、城市、街區多尺度，污染物的模式模擬體系大氣污染產生，輸送和沉降規律，利用描述地球表層各圈層的物理、化學和生命過程及演化的規律，用數學建模，在超級計算機上開展大規模科學計算，以期再現地球表面各圈層過去和現在的演變，能為人類提供天氣預報、洋流計算、氣候預測。

附錄：此次大會，北京航空航天大學教授錢德沛 ，鄭州大學國家超算鄭州中心教授商建東，國防科技大學計算機學院院長盧凱，國家超級計算無錫中心副主任付昊桓，中國科學院力學研究所副所長魏宇傑，中國地質大學（武漢）計算機學院院長王力哲，RIKEN計算科學中心（R-CCS）主任Satoshi Matsuoka，HPC-AI諮詢理事會組織主席Gilad Shainer，聯想集團HPC&AI營銷總經理于濤，中科曙光副總裁李斌，阿里巴巴集團研究員張獻濤，華為技術有限公司HPC業務總監謝海波，並行科技CEO陳健，AMD中國區技術總監劉文卓，英特爾高性能計算總經理、數據平台集團副總裁 Trish A Damkroger，戴爾科技集團高性能計算總經理、解決方案和技術聯盟副總裁 Thierry Pellegrino，IBM TJ Watson研究中心CTO Erik Altman等行業專家、企業高管、技術精英進行主題報告。作為產業盛會，本次大會由中國計算機學會主辦，中國計算機學會高性能計算專業委員會、鄭州大學、鄭州航空港經濟綜合實驗區承辦，並行科技協辦，對前沿學術成果、創新應用技術、促進超算技術生態與產業數字化轉型有着重要的影響和意義。

（完）

《親愛的數據》出品