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研制自主地球模式、参与IPCC气候评估

  全球变暖对生态和环境产生了严重影响,也导致了极端天气与气候事件的频率与强度增加,使得世界范围内气象灾害更频繁地出现,我国尤其严重。为了防止生态环境的进一步恶化,减少天气、气候灾害的损失,必须深入研究全球变化的机制和原因,并预测未来的变化趋势,以便制订应对措施。我国科学家已经在地球系统模式领域做了大量工作,特别是通过近30年的努力,在大气环流模式、海洋环流模式、陆面过程模式的发展及其耦合等领域取得了令人瞩目的成绩,参与了政府间气候变化委员会(IPCC)历次气候评估报告的情景预测实验和各种国际模式比较计划,使我国成为近20年来唯一有能力发展自己的地球系统模式的发展中国家。

  根据我国地球系统模式发展对高性能科学计算的迫切需求,针对其存在的问题,以提高模式分辨率、计算效率、计算稳定性以及模式用户使用的友好性为目标,研究地球系统模式的高效并行算法并形成框架,建立具有我国自主知识产权的耦合器,并将创新的高性能算法和软件实现技术应用于地球系统模式的开发中,大幅降低模式研制难度,显著缩短模式开发周期。使得地球系统模式各分量模式之间的全耦合和高分辨率模拟(全球30-100km分辨率)成为可能。同时,研制面向地球系统模式中的高效并行算法,使得并行效率达到50%以上,我国地球系统模式的并行算法达到国际先进水平,与日本的earth Simulator, 美国的CCSM的并行效率相当甚至超过5-8%。同时,目前国内外地球系统模式所使用的耦合器主要是美国NCAR开发的Common Coupler系列,或者欧盟PRIM计划开发的OASIS系列,我国地球系统模式的耦合器在很大程度上依赖于上述耦合器。通过开发“具有自主知识产权,具备二维和三维耦合功能和任意局部嵌套加密的能力,支持地球系统模式在数千个处理器核上进行高精度、高分辨率的数值模拟”的耦合器实现了我国在耦合器研制领域里质的突破,有望使我国在IPCC AR6时用上基于我们自己研发的耦合器的地球系统模式,我国地球系统模式研发的核心技术将不再受制于他人。

  该典型应用的实施可以使我国实现地球系统模式同时使用到数千个以上的处理器核,这将使我国在运行高分辨率的地球系统模式成为可能,而且,计算速度会提高5-10倍,相当于节省了10倍以上的研发或购买高性能计算机的费用。同时,在此项目基础上开发的我国新一代气候系统模式或者地球系统模式有望使我国的气候变化情景预测水平有明显提高,使得我国防御气候变化带来的巨灾风险和各种灾害的能力提高3-5%

  从计算规模来说,完成年代际预测的试验至少需运行2140模式年;完成气候变化试验,至少需运行5365模式年;完成整个IPCC AR5所要求的评估试验,整个模式系统需积分7500个模式年以上。其中核心试验2207年,级别1试验3941年,级别2试验1357年。如此巨大的计算量,一方面需要超高性能计算机系统的支撑,另一方面需要提高地球系统模式的加速比和可扩展性,使其能够充分利用计算机资源。在IPCC AR4,200公里左右的分辨率,使用32CPU进行一个模式年计算需要10个小时,在IPCC AR5中计划提高分辨率3-5,计算量将增加2~3个量级。

 

《政府间气候变化委员会第四次评估报告》  IAP/LASG第四代气候系统模式FGOALS_s模拟的降水、温度和海平面气压

   该应用将取得巨大社会效益也是显而易见的:可以给出6种不同社会经济发展情景下未来百年或更长时间的全球气候情景预测结果,为我国党和政府领导人、科学界参与国际气候变化科学、外交谈判和双边/多边会晤提供谈判依据。同时也为国家制定应对未来气候变化的国家战略和处理气候变化带来的新的国家安全问题提供决策依据。

 
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