地球系统数值模拟装置原型系统

项目背景

      进入21世纪,气候和生态环境变化已经成为当前全球性重大科学问题。解决这类大尺度(区域、全球)、多圈层(大气圈、水圈、岩土圈、生物圈)的复杂科学问题,越来越依仗发展完善的数值模拟手段。地球系统模拟不但大大深化了我们对地球系统演变规律的认识,还使得对未来演变的科学预测成为可能。因此,地球系统模拟装置的先进性不仅是衡量一个国家地球科学研究综合水平的重要指标,也是国家应对全球变化、防灾减灾、环境治理、掌握国际外交的主动权等不可或缺的科学支撑。2015年,由中科院大气物理研究所、中科院计算技术研究所、中科院计算机网络信息中心、曙光信息产业(北京)有限公司,共同启动了“‘地球系统数值模拟装置’预研及原型系统建设”项目。


方案设计

气象“地球系统数值模拟装置”案例.jpg

一个框架:

        地球系统数值模拟并行软件支撑框架:基于mct和cpl7,设计实现CAS-coupler的接口组件开发,支持地球系统模式与区域模式WRF的双向耦合,支持CAS-ESM系统的分量模式接入。

两个平台:

        面向地球科学的高性能计算平台:峰值计算能力处于国内领先地位,包括通用计算分区、耦合计算分区、分布存储分区三个部分,各分区之间采用基于InfiniBand的3D-Torus网络互连;

        地球系统数值模拟可视化平台:建设一个高分辨率可视化大屏幕展示系统,并开发相应的可视化处理原型软件系统,开展并行与硬件加速的原位可视化关键技术研发。

两个模式:

        地球系统模式:地球系统模式1.0版本(CAS-ESM 1.0)包含完整的气候系统和生态环境系统分量,主要包括大气、海洋、海冰、陆面水文、大气化学和气溶胶、动力学植被、海洋生物地球化学等子系统模式或分量模块,并通过一个通量耦合器实现它们之间的完整耦合;

        大气污染模式:区域高精度大气污染模拟系统的模块优化和完善,包括气象模块完善和优化、气象-污染双向反馈机制的嵌入、气溶胶动力模块的嵌入、高分辨率源解析模块的发展。

两个应用:

        基于地球系统模式:建成新一代我国短期气候预测系统,开展预测试验;

        基于区域高精度大气污染模拟系统:开展关键区域的空气质量预报试验。

应用领域:

        专用领域:地球系统科学数值的模拟,如:大气科学、地质学、环境污染预报、降水预报、海洋生产力预报、植被分布演变等;

        通用领域:系统兼具高通用性, 可为国防、经济、交通、教育、农业、水利、海洋、气象、地质等行业提供有力的计算服务。


系统技术特色

系统硬件特色:

        装置采用曙光最新的硅立方系列高性能计算机,在体系结构、计算密度、存储架构、能效比等各方面均处于国内领先地位。

        先进的3D-Torus 互连架构具有极佳的通信性能和扩展性。

        高密度的计算和存储系统、系统分区和协同设计,既能最大化匹配地球科学的应用模式,也能兼顾通用计算需求。

        液冷散热制冷技术可以大幅度降低系统PUE,提高能效比,降低噪音,提升空间利用率和计算性能。

系统模式特色:

        地球系统模式是我国第一个完整的,真正具有独立知识产权的地球系统模式,具有应用性强、精细度高的特点,在国内具有领先优势。包含完整的气候系统和生态环境系统分量,主要包括大气、海洋、海冰、陆面水文、大气化学和气溶胶、动力学植被、海洋生物地球化学等子系统模式或分量模块,并可以实现它们之间的完整耦合,便于科研人员进行多学科协同研究。

 

项目意义

        减灾防害、控治污染,促进人类与自然可持续发展;

        提升我国气候外交实力和环境话语权,抵御西方国家数据挟制;

        提升我国在地球科学领域的协同创新与科研能力;

        大数据驱动型的科研创新模式,以科技创新服务经济社会发展,推动各个行业创新。


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