近日，美國計(jì)算機(jī)學(xué)會公布了獲得首屆戈登·貝爾氣候建模獎(jiǎng)提名的研究工作名單。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在新一代神威超級計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用成果（Establishing a Modeling System in 3-km Horizontal Resolution for Global Atmospheric Circulation Triggered by Submarine Volcanic Eruptions with 400 Billion Smoothed Particle Hydrodynamics）獲得提名。

人類有記錄以來，致命的自然災(zāi)害包括地震、火山爆發(fā)、海嘯、颶風(fēng)和洪水等。其中，大規(guī)?；鹕奖l(fā)是最致命的和對人類生存環(huán)境影響最深遠(yuǎn)的自然災(zāi)害之一。海底火山爆發(fā)不僅會迅速引發(fā)大范圍的海嘯，而且會在數(shù)天內(nèi)引發(fā)大規(guī)模閃電、短期暴雨、洪水等氣象災(zāi)害，并可能導(dǎo)致持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年的長期氣候影響。

自然和人類活動(dòng)引起的氣候變化對人類適宜生存的地球環(huán)境帶來了挑戰(zhàn)。然而，受研究領(lǐng)域分工的影響，目前針對地震、火山、海洋和大氣的模擬和預(yù)測系統(tǒng)的研究是相對獨(dú)立的。例如，對海洋和大氣的模擬一般基于流體力學(xué)的模擬方法；而對地震和火山的模擬涉及巖石和板塊的運(yùn)動(dòng)和斷裂，一般采用基于固體力學(xué)的模擬方法。同時(shí)，受限于數(shù)值建模方法和計(jì)算能力的不足，目前國際上尚未建立多圈層的耦合模擬系統(tǒng)，以針對緊密關(guān)聯(lián)的地震、火山、海洋和大氣活動(dòng)進(jìn)行耦合建模和模擬。

本研究將多介質(zhì)多相界面運(yùn)動(dòng)光滑粒子動(dòng)力學(xué)建模方法（vSPH）與高分辨率大氣物理和化學(xué)全耦合建模方法（iAMAS）有機(jī)結(jié)合，自主設(shè)計(jì)了vSPH/iAMAS軟件，建立了一套從局部10米到全球3公里超高空間分辨率的火山噴發(fā)和大氣環(huán)流跨圈層的模擬系統(tǒng)，在新一代神威超級計(jì)算機(jī)上，使用39,00萬個(gè)處理器核，在100公里×100公里×60公里的區(qū)域內(nèi)對湯加海底火山噴發(fā)與大氣環(huán)流的全過程進(jìn)行了模擬，捕捉了火山爆發(fā)從沖擊波、地震、海嘯、蘑菇云到隨后6-7天火山灰和水汽的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，初步獲得了由火山噴發(fā)產(chǎn)生的地震活動(dòng)以及同時(shí)發(fā)生的海洋和大氣現(xiàn)象全耦合的相互影響效應(yīng)。首屆戈登·貝爾氣候建模獎(jiǎng)委員會主席John Taylor認(rèn)為，這一成果標(biāo)志著研究地質(zhì)構(gòu)造過程與氣候變化相互作用的能力取得了重大突破，為應(yīng)對未來類似的全球性自然災(zāi)害事件提供了開發(fā)模擬和預(yù)警系統(tǒng)的方法。

本研究采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的高性能計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，用于解決在國產(chǎn)超大規(guī)模并行系統(tǒng)上科學(xué)與工程計(jì)算軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化面臨的重大挑戰(zhàn)和技術(shù)難題。該工作的主要?jiǎng)?chuàng)新包括：基于改進(jìn)的光滑粒子動(dòng)力學(xué)黎曼求解算法和自適應(yīng)粒子分裂融合算法，實(shí)現(xiàn)了從連續(xù)到離散一體化的高效動(dòng)態(tài)計(jì)算模擬，可以高保真地捕獲強(qiáng)激波間斷界面的動(dòng)力學(xué)演化過程；通過從分布式計(jì)算節(jié)點(diǎn)到多核處理器的多層次并行算法設(shè)計(jì)，充分利用神威眾核芯片和異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒度的向量并行計(jì)算、數(shù)據(jù)布局優(yōu)化、計(jì)算與通信重疊的非阻塞通信；采用基于Cell的鄰居列表構(gòu)建方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新組織與訪存優(yōu)化，解決了由粒子運(yùn)動(dòng)、遷移引起的訪存帶寬受限和延遲容忍問題；基于動(dòng)態(tài)自適應(yīng)區(qū)域劃分的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略，攻克了4000億粒子模擬過程中的極端負(fù)載不平衡問題；結(jié)合新神威超級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜臀募到y(tǒng)的特點(diǎn)，通過網(wǎng)格數(shù)據(jù)重排和通信劃分，實(shí)現(xiàn)了超大并行規(guī)模下的多文件I/O策略，解決了高分辨率讀、寫數(shù)據(jù)量指數(shù)級增加導(dǎo)致的嚴(yán)重I/O瓶頸。

本研究由中國科大、嶗山實(shí)驗(yàn)室和國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心組成的高性能計(jì)算與工程力學(xué)、大氣物理、固體地球物理、物理海洋多學(xué)科交叉協(xié)作團(tuán)隊(duì)完成。研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科大“雙一流工程”研究基金等的資助。嶗山實(shí)驗(yàn)室和中國科大超算中心等為本研究提供了超算資源的支持。

海底火山爆發(fā)引發(fā)巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈等發(fā)生劇烈變化和相互作用示意

SPH & iAMAS耦合建模方程、海底火山爆發(fā)觸發(fā)地球多圈層災(zāi)害模擬