保护地球环境，超算与您共同守护生态健康
·导 读·
地球，生命的摇篮，人类共同的家园，她给人类提供生存所必须的环境和资源，包括大气、水、土壤、矿产等等。如何利用信息科技力量保护人类的生存环境，合理利用资源，推动我国生态文明建设，一直是重要的研究课题。在这一背景下，12月初举办的计算引领，健康前行——“科创中国”超算健康科技创新应用大会专门设置了地球环境模拟分论坛，让我们一起看看基于超算的数值模拟技术如何助力守护生态环境健康、服务社会民生、促进地球大数据创新和产业经济发展。
“地球环境模拟”分论坛由国家超算广州中心总工程师杜云飞教授和应用交叉研究中心陶钧副教授担任主持，论坛邀请了来自学术界、产业界的专家学者，共同探讨人类如何与地球环境和谐共处。
推动地球科学向数据驱动转型
“地球内部如何运行”被Science杂志列为全球最具挑战性的科学问题之一，因此依托超算开展地球动力学模拟，帮助人类更好理解地球内部结构与运动，并解决关键地学问题至关重要。由于南海海盆发育有地球构造运动的两个一级单元：俯冲带和海底扩张，所以它是开展地球科学研究的天然实验室。在大会报告中，中山大学廖杰教授介绍了其研究团队围绕板块俯冲这个前沿地球科学问题，依托“天河二号”，开展了上千组地球动力学模拟和计算实验，模拟了双俯冲带（马尼拉俯冲带和菲律宾俯冲带）的演化过程和地幔柱-洋中脊相互作用的动力学过程。该项工作帮助我们更加深入理解南海海盆的发育演化过程。
全球天然气水合物所含天然气的总资源量丰富，有望成为替代石油天然气的理想能源。因此对其开展地质调查具有重要意义。广州海洋地质调查局陈玺高级工程师在报告中介绍了调查局水合物勘查的发展历程，经过近二十年不懈地勘探研究，2020年试验性试采获得成功。依托“天河二号”，广州海洋地质调查局开展了大规模三维地震数据处理，在完成技术可行性评估、计算环境部署、数据安全性架构、软件适配性研究的基础上，利用国产化GeoEast地震处理软件，高效地完成了调查局首个针对天然气水合物三维地震资料成像工作，计算效率提升5倍，得到了可靠的海域天然气水合物三维勘探成像结果，对我国水合物试采工作起到了重要的支撑作用。
助力气候预测模式迈向世界先进
气候预测主要聚焦在一段时间之后总体天气状况，气候预测要求更细、更长、更准。中国气象局气象科学研究院任宏利研究员在报告中指出单个模式的气候预测存在着极大的不稳定性，而多模式集合预报是改进气候预测的有效手段。我国基于国内多个气候模式，以本地化运行和国外业务预测数据引进相结合方式建立了面向季节预测的中国多模式集合预报系统CMMEv1.0。该系统依托于“天河二号”业务化运行，在厄尔尼诺、副高、季风等主要气候现象和温度、降水等主要气候要素方面开展的业务预测研发和应用工作。该系统为2018～2020年汛期业务会商和滚动会商提供预测意见，反馈效果良好，为国家级气候预测业务提供了重要参考和强有力支撑。未来，该系统将发展成为具备月-季-年无缝隙业务预测能力的多模式集合气候预测系统平台。
极端天气及其并发的自然灾害每年造成巨大的经济损失，如何准确预测极端天气在全球变暖背景下的变化既是前沿的科学问题，也具有重大的实际价值。全球暖化下，大气中水汽增加的区域分布较为均匀，极端降雨的气候响应却有显著的区域特征。之前的研究表明是动力的响应导致了显著的区域特征，但缺乏进一步的解释。依托“天河二号”，北京大学聂绩研究员的团队在报告中重点介绍了围绕极端降雨开展的一系列研究工作，并对此难题有了新的突破：极端降雨可看作是由大尺度扰动和对流反馈构成，它们分别由干动力和湿动力过程控制，在全球增暖下遵从不同的响应规律，共同塑造了极端气候响应的区域特征。最后，聂绩研究员介绍了团队依托“天河二号”进行的深时气候研究，该研究模拟2.5亿年来全球的气候变化，揭示了古气候中大气环流、区域气候、变率模态、海洋环流、季节变化等与现代气候不同的状态及特征。
服务民生提高天气预报精准水平
广东灾害天气频发，要定点定时定量做好天气预报极具挑战。广东省区域数值天气预报重点实验室冯业荣主任在报告中首先介绍了自主发展并在“天河二号”上成功部署的GRAPES华南数值预报模式，包括9km南海台风模式、3km华南中尺度模式和1km短临模式和9km台风/暴雨中尺度集合预报模式。其中，9km华南台风模式可提前5天报台风生成，生成预报结果优于全球模式；3km华南中尺度模式第三方检验位列全国前列；全国首个1km短时临近预报业务模式可在12分钟内输出未来6小时预报结果，在台风、飑线等强对流天气预报中表现预报效果突出。未来，研究团队将基于“天河二号”发展次公里尺度华南区域数值预报模式，如500米大湾区模式、智慧冬奥2022天气预报示范计划；同时，着力开展新一代对流尺度资料同化关键技术研究以及基于深度学习的灾害天气预测模型及行业应用研究等相关工作。
中山大学陈生教授在大会上介绍了基于雷达和风云四号卫星闪电同化的短临天气预报研究。该模式短临预报系统采用非静力的中尺度高分辨率天气研究预报模式WRF-ARW，利用先进的微物理参数方案，基于三维变分实时同化新一代天气雷达和风云四号卫星闪电观测数据，对研究区域进行对流尺度（3km水平分辨率）上的数值模拟和实时预报。结果表明，同化多源遥感观测可有效提升模式预报能力，同时，闪电同化能有效提高对局部强对流天气预报技巧。针对传统的数值预报存在的缺陷，陈生教授介绍了基于人工智能的短临预报系统，并结合多个区域的应用实例，证明了人工智能在短临天气预报具有巨大的潜力。
分论坛的最后，举办了“地球环境模拟”专题讨论，该讨论由中国科学院大气物理研究所包庆研究员主持，分论坛报告专家受邀出席。各嘉宾就“下一代数值预报系统与精细化无缝隙预报”、“面向深海、深地和深空的地球系统模式发展”、“智能和预报模式的结合”三个话题进行了讨论。他们提出数值预报系统的发展离不开强大的计算资源的支持，希望依托“天河二号”，未来能够实现更高分辨率的地球系统模式运行。并且，模式的发展不仅需要科研工作者深入研究科学问题，加深对物理现象及过程的理解，同时，观测手段及技术也急需革命性发展。深度学习技术为解决传统模式难题找到了突破口，但如何将其与传统模式相结合仍存在巨大的挑战。
┣计算引领，健康前行——“科创中国”聚焦超算健康科技创新应用