氣象預(yù)報(bào)需要的超算有多“硬核”？

超級(jí)大腦助力天氣預(yù)報(bào)

【資料圖】

預(yù)測(cè)天氣和氣候是世界上最復(fù)雜的問(wèn)題之一。從20世紀(jì)50年代開始，數(shù)值模式預(yù)報(bào)方法取得了成功。然而，60多年來(lái)，人們所需的氣象預(yù)報(bào)時(shí)空精度越來(lái)越高，數(shù)值模式已經(jīng)從一個(gè)簡(jiǎn)單的正解方程發(fā)展到世界上最復(fù)雜的軟件項(xiàng)目之一，海量數(shù)據(jù)和數(shù)百萬(wàn)條代碼總能輕易占滿計(jì)算設(shè)備的所有可用資源。

什么是數(shù)值模式

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是指根據(jù)大氣實(shí)際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過(guò)大型計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算，求解描寫天氣演變過(guò)程的流體力學(xué)和熱力學(xué)的方程組，預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)段的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。

當(dāng)時(shí)分析天氣圖和讀取數(shù)據(jù)等工作，都是人工進(jìn)行的，這些工作所費(fèi)的時(shí)間，比當(dāng)時(shí)在電子計(jì)算機(jī)上的計(jì)算時(shí)間(試驗(yàn))大10倍左右。為了提高工作效率并減少人為的誤差，從1954年起，人們相繼提出一些用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行客觀分析和自動(dòng)處理資料的方法。不久，從收?qǐng)?bào)到分析預(yù)報(bào)，都開始實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

為數(shù)值模式安裝"加速器 "

20世紀(jì)90年代是我國(guó)數(shù)值模式預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，我國(guó)躋身少數(shù)能夠發(fā)布中期數(shù)值預(yù)報(bào)的國(guó)家。理所當(dāng)然地，數(shù)值模式繁榮的背后，少不了高性能計(jì)算與通信網(wǎng)絡(luò)的大發(fā)展。

隨著高性能計(jì)算機(jī)能力的明顯增強(qiáng)，銀河Ⅱ、CRAY J90、CRAY EL98、CRAY C92、IBM SP、IBM SP2、曙光1000A……一系列高性能計(jì)算機(jī)陸續(xù)引入氣象業(yè)務(wù)部門，T42L9、T63L16、 T106L19等模式隨之成熟，科研與數(shù)據(jù)處理需求也得到了滿足。

國(guó)產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“派—曙光”概念圖。國(guó)家氣象信息中心供圖

尤為重要的是，隨著9210工程的逐步落實(shí)，我國(guó)氣象數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了首次實(shí)時(shí)收集和分發(fā)，數(shù)據(jù)從觀測(cè)站到達(dá)預(yù)報(bào)員眼前的時(shí)間，從1小時(shí)以上縮短到了10分鐘以內(nèi)。

2018年，在改革開放的第40個(gè)年頭，中國(guó)氣象局新一代高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“派-曙光”啟動(dòng)了業(yè)務(wù)化應(yīng)用。新系統(tǒng)計(jì)算能力達(dá)到每秒8189.5萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算，存儲(chǔ)能力達(dá)到23088TB。

在引進(jìn)“派-曙光”以后，中國(guó)氣象局高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總體規(guī)模躍居氣象領(lǐng)域世界第三位，僅次于英國(guó)氣象局和日本氣象廳。

在“派-曙光”中，氣象部門特意配置了小規(guī)模試驗(yàn)子系統(tǒng)，支持GPU/眾核環(huán)境下氣象模式的研發(fā)與試驗(yàn)，希望借此為將來(lái)遷移到眾核系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。

與此同時(shí)，氣象部門的計(jì)算資源還在一步步邁向集約、開放與共享，以往“一套系統(tǒng)一臺(tái)機(jī)器”造成的煙囪林立現(xiàn)象正逐漸改善。集約化管理數(shù)據(jù)資源和高性能計(jì)算資源，構(gòu)成豐沛的數(shù)據(jù)資源池，開放共享、各取所需，正是大勢(shì)所趨。

如今，中國(guó)氣象局仍在持續(xù)推進(jìn)超算算力不斷升級(jí)。5月11日，第一批新國(guó)家級(jí)高性能計(jì)算（HPC）子系統(tǒng)1安裝建設(shè)完成，其系統(tǒng)雙精度浮點(diǎn)峰值計(jì)算性能達(dá)13PFlops（P：千萬(wàn)億次，F(xiàn)lops：每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力達(dá)76PB；其他子系統(tǒng)也在陸續(xù)安裝中，相信其建成后將為更精準(zhǔn)的智能預(yù)報(bào)提供支撐。

責(zé)任編輯：Rex_31