近日，由中國海洋大學深海圈層與地球系統前沿科學中心張紹晴教授、吳立新院士和高陽教授團隊，聯合清華大學/國家超算無錫中心徐世明副教授、傅昊桓教授及劉釗高級工程師，并與中國科技大學等多家單位院所合作，通過引進消化、吸收發展的技術路線，依托最新研制的“神威”異構眾核高性能超強計算機，改進通用地球系統模式的動力框架和并行算法，成功研發了分辨率高達大氣5千米（也包括12和9千米）、海洋3千米（也包括15、10和5千米）的系列耦合地球系統模式，成果以“神威異構眾核高性能計算機上云和亞中尺度解析的耦合地球系統模式研發”為題，發表于《國家科學評論》（NationalScienceReview,NSR），彰顯了地球系統數值模擬領域的最新前沿進展。

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地球系統模式將地球表面的海洋、大氣、陸面和海冰等，劃分成微小的流體單元，根據地球流體的動力學和熱力學方程，加上大氣化學及海洋生物地球化學過程，計算每一個流體單元的質量和能量收支，從而在超級計算機里模擬地球流體、地球生態環境等地球系統的自然演變，是一整套數據和計算機代碼集。地球系統模式一旦與實際觀測系統相結合，便能從當前狀態出發獲得未來狀態的演變，形成對未來人類生存環境的預測，是整合觀測分析和理論研究成果、推動地球科學發展的科研平臺，也是地球科學基礎科研成果的應用出口、為社會經濟建設和軍事建設做好環境安全保障服務的基礎應用平臺。我國自主研制的“神威”異構眾核超算具有強大的計算能力，為高精度地球系統模式的研發提供了強有力的支撐。科研團隊針對傳統海洋三級網格過渡帶不連續問題，引入并發展了新的海洋網格系統，格距連續變化的新型海洋格點體系（圖1）使研發千米級高分辨率耦合模式成為可能、并可持續提高分辨率。同時，通過發展符合地球物理規律的計算方案，科研團隊解決了高分辨率耦合積分不穩定性問題。

圖1左：經向格距不連續的傳統三級網格格點；右：格距連續演變、適合高分辨率模式持續發展的新型三級網格格點

新研發的高分辨率地球系統模式能在一定程度上描述海洋亞中尺度（圖2）和大氣積云（圖3）活動，能改進熱帶氣旋和渦流相互作用的模擬，從而抓住大氣海洋中的主要極端天氣氣候現象。例如，由于復雜海底地形和海陸界面及海表強迫等的影響，海水運動是從米到千公里的多尺度相互作用過程，包含能量串級（從較大尺度向較小尺度傳輸）和能量逆串級（從較小尺度向較大尺度傳輸）。當高分辨率的海洋模式大幅度提高海洋亞中尺度渦旋統計特征時，能更加準確地模擬地球系統中的多尺度相互作用過程。

圖215、10和3千米分辨率海洋模式模擬的中尺度和亞中尺度渦旋統計

圖325千米里大氣和10千米海洋（25v10）及5千米大氣和3千米海洋（5v3）分辨率地球系統模式模擬的熱帶氣旋結構

該系列高分辨率耦合地球系統模式能滿足地球系統多尺度研究需求，為快速推進完全解析云和海洋亞中尺度活動的地球系統模式研發奠定堅實基礎，為實現局地細節性大氣海洋過程的準確模擬及天氣氣候無縫隙模擬預測提供重要支撐。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

通訊員：侯霞

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad069

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