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亲爱的数据|曾庆存院士：中国科学院地球系统模式， 自研巨系统大规模高性能



亲爱的数据|曾庆存院士：中国科学院地球系统模式， 自研巨系统大规模高性能
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晨光冲刷着中原城市群落的核心——郑州 ， 一群来自全国从事超级计算机的从业者 ， 成为这座城市新到的访客 。 “2020CCF全国高性能计算学术年会”于2020年9月28日召开 。
“HPC CHINA”与“德国ISC”、“美国SC”并驾齐驱 ， 被誉为世界三大超算盛会之一 ， 已经历经15载沉淀 。 此次大会 ， 曾庆存院士、陈国良院士、刘炯天院士、陈左宁院士、邬江兴院士、孙凝晖院士 ， 两院6位院士13场特邀报告 。
从20世纪70年代开始 ， “战略计算机计划”、“高性能计算和通讯计划”、“加速战略计算计划”、“先进计算设施伙伴计划”等一系列战略计划的推出 ， 引出了高性能计算这个炙手可热的学术研究方向 。
《亲爱的数据》在此次年会上获悉 ， 大会首个报告主题为 ， 《中国科学院地球系统模式(CAS-ESM)》 。 报告人为曾庆存院士 ， 中国科学院大气物理研究所2019年国家最高科学奖获得者 。
CAS-ESM是复杂巨系统的大规模高性能计算的典型例子 ， 开发经历数十年 ， 是我国高度自主化研发的完整地球系统模式 。
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曾庆存院士谈道：“CAS-ESM是巨系统、大规模、高性能计算的一个典型例子 。 该模式完全是按我国自己的理论思路和框架研制 ， 且其各分系统模式全部或主体部分都是我国自主研制的 ， 有鲜明中国特色 ， 有许多优点或为我所特有 。 ”
从背景知识角度理解 ， 地球系统与人类生活息息相关 。 将地球上的大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈看成一个有机的整体进行研究 ， 并统一协调全球气候、生态与环境变化的有关研究 ， 称为地球系统动力学 。 作为一门新兴的学科 ， 核心之一是建立地球系统动力学模式的模拟研究 。
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CAS-ESM是开展地球系统数值模拟必不可少的载体 ， 它集对地球各圈层运动规律认识之集合 ， 将地球各个圈层及其相互作用综合起来 ， 用系统科学的观点去研究认识地球 ， 从而成为地球科学研究的基础工具之一 。
曾院士指出：“（为此就）必须研制ESM ， 用于研究：大气、海洋和天气、气候、洋流的规律 ， 尤其是变化过程 。 地球各个圈层的相互作用规律（特别是生态和环境以及人类活动影响的过程）、进行预测和调控（特别是生态和环境建设） 。 从而 ， 处理一到三日的天气预报 ， 设海洋、陆表可取已知 。 处理一个月至季度气候预报（简化海气耦合模式） ， 设陆表状态已知 。 处理年度气候变化 ， 尤其生态和环境变化全耦合的地球系统模式 。 ”
CAS-ESM由基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组（包括动力学方程组和参数化方案）来确定其各个圈层的性状 ， 由此构成地球系统的数学物理模型 。 所以 ， 非常复杂 。 《亲爱的数据》获悉 ， 从2008年起 ， 美国、英国、日本、 德国、加拿大等发达国家已相继建立了各自的地球系统模式 。
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曾院士特别强调了多学科多院所的融合工作特色 ， 他谈道：“在计算机上实现算法和软件 ， 具有高精度、高效、省时、可长时间连续计算 。 计算过程可实时监控、调节、切换 。 这得益于研制人员、计算与计算科学多学科团队与专家高度的融合工作 。 贡献者包括 ， 在三维耦合器与嵌套算法方面 ， 何卷雄、张东凌、毕训强 。 在陆冰模式方面 ， 张怀、高欣、张东凌 。 高性能软件方面 ， 张云泉、迟学斌、姜金荣、孙家昶、廖方宇、孙迎辉 。 ”
CAS-ESM极其复杂 ， 计算量巨大 ， 对高性能计算机提出了极高要求 。随着地球系统模式分量模式的增多、复杂度和模式分辨率的提高 ， 高效率计算成为关键技术 。
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CAS-ESM为了把描述地球表面不同圈层的数值模式分系统耦合到一起 ， 需要一个软件工具传递反映地球表面不同圈层界面间相互作用的信息 ， 我们称之为耦合器 。 CAS-ESM包含多个描述地球表面不同圈层的数值模拟软件（分量系统） ， 这些分量系统不但可以独立运行 ， 需要把它们有机的耦合到一起形成统一的地球系统数值模拟系统 ， 需要对各分量模式开发和耦合以及编译运行进行有效管理 。 因此 ， 需要一个很好的耦合集成平台 。
曾院士谈道：“CAS-ESM是我国自主研制的 ， 在国产超级计算机上实现的 ， 这个很了不起 。 如果没有国产超级计算机 ， （这个事情）就搞不成 。 这是我们真刀真枪搞的 。 CAS-ESM大规模数值模拟已参加国际模式比较计划 ， 部分分系统模式也被国内外广泛应用 。 他强调：“用了 ， 还比较广泛” 。
他还谈道：“CAS-ESM建立在严谨的数学物理理论模式上 ， 整体上符合物理学的规律和数学的适应性 。 例如封闭系统能量的转换和总能量的守恒性 ， 总角动量的守恒性 ， 满足数学上的有解唯一解 ， 解对初边值条件的稳定性 。 这个很重要 ， 否则 ， 功劳白费 。 ”
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《亲爱的数据》据悉 ， CAS-ESM构建了从全球、区域、城市、街区多尺度 ， 污染物的模式模拟体系大气污染产生 ， 输送和沉降规律 ， 利用描述地球表层各圈层的物理、化学和生命过程及演化的规律 ， 用数学建模 ， 在超级计算机上开展大规模科学计算 ， 以期再现地球表面各圈层过去和现在的演变 ， 能为人类提供天气预报、洋流计算、气候预测 。 （完）
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