曙光超算推动气象模式应用发展
超级计算机在气象领域中的应用
超级计算机在气象领域中的应用随着科技不断进步，计算机的运算速度也不断提高，越来越多的学科领域都开始利用超级计算机来处理数据，进行复杂的模拟和计算，气象学领域也不例外。
超级计算机在气象领域的应用已经变得日益重要，它们可以帮助我们更好地理解并预测气象现象，提高气象预报的准确率和效率。
本文将就超级计算机在气象领域中的应用展开讨论。
一、气象预报和预警超级计算机在气象领域的最主要应用是气象预报和预警。
通过气象仪器采集的大规模观测数据，如气温、湿度、气压等，都需要进行高精度的计算和模拟，才能生成准确的天气预报和预警。
大规模的计算涉及到海量的数据和复杂的模型，而这些数据和模型要能够稳定的运行必须依靠强大的计算能力，而超级计算机正好具备这样的能力。
超级计算机可以对大量的数据进行快速的处理和分析，通过对数据的模拟和计算，可以获得更加准确的天气预报和预警信息。
无论是对气象现象的观测数据的处理，还是对天气模型的计算和优化，超级计算机都能够提供更加准确、复杂的计算。
比如，美国国家气象中心正在利用世界上最快的超级计算机——超级美洲模式（FV3）来进行气象预报。
FV3是用于美国天气预报的最新和最先进的天气模型，它可以预测超过10天的天气情况，覆盖整个北美洲。
该模型每天进行一次更新，这意味着FV3每天要处理超过20万亿次的计算任务。
而这些计算需要一个强大而复杂的超级计算机系统才能完成。
二、气候模拟超级计算机在气象领域的另一个重要应用是气候模拟。
对于气候模拟来说，需要处理的数据量更大，所需要的计算能力也更强。
通过对气候模型进行大规模的计算和模拟，研究人员可以更加深入地了解气候变化的机理和情况。
为了更准确地预测气候变化，需要尽可能真实地模拟大气、海洋和陆地系统之间的复杂相互作用。
这需要进行数学模型的建立和计算。
超级计算机可以快速处理各种模拟数据，并将数据与实际观测数据进行比对，以确定最合适的气候预测模型和算法。
例如，英国气象局的气候预测系统将使用欧洲超级计算机“达芬奇”（DARWIN）进行计算和模拟。
超算在气象中的应用研究
超算在气象中的应用研究气象是一门关于大气运动和现象的科学，其研究范围广泛，直接影响到人们的生活和安全。
为了更准确地预测天气变化、灾害事件和气候趋势，科学家们借助超级计算机（以下简称超算）在气象学中进行应用研究。
本文将探讨超算在气象中的应用，以及这些应用对我们生活的影响。
1. 超算模拟天气预报天气预报是人们获取天气信息的主要途径之一。
通过超算模拟技术，研究人员可以将大气动力学、热力学和水文等物理变量输入计算机模型，对未来若干天的气象变化进行预测。
这一模拟过程不仅可以预测降雨、温度和风向等常见因素，还能提供更复杂的信息，如暴雨、暴风和台风等极端天气事件的可能性。
超算模拟天气预报的精确度大幅提高，特别是对于长期预测和复杂气象情况的预报准确度有了显著的提升。
这使人们能够更好地做出应对措施，减少了天气造成的不确定性对人们生活的影响。
2. 气候模拟和分析气候变化是当前全球关注的重要环境问题之一。
通过超算，在气候模拟和分析方面取得了巨大的进展。
研究人员可以输入大量的观测数据和气象指标，利用超级计算机进行模拟，以探索不同排放量和自然力量对气候变化的影响。
超算模拟气候变化有助于预测未来数十年以及更远的气候趋势，例如全球变暖和极端气候事件的出现频率。
这些模拟结果为政策制定和应对气候变化提供重要依据，促使人们采取更加可持续的发展策略，保护地球的生态环境。
3. 灾害风险评估与管理气象灾害如暴雨、洪水、干旱和飓风等对人们的生活造成巨大影响。
超算在气象灾害的风险评估和管理中具有重要作用。
通过建立气象灾害预警系统，并结合超算模拟的结果，可以更准确地确定灾害发生的时间、地点和程度。
超算的高性能计算能力可以在实时或准实时条件下进行复杂的数据分析和模拟，以提前预测并准确评估灾害风险。
这使得相关部门和民众得以采取及时有效的措施，减少灾害造成的人员伤亡和财产损失。
4. 空气质量监测与改善随着城市化进程的加速，空气质量对于人们的健康和生活质量越来越重要。
超算在气象预测中的应用进展
超算在气象预测中的应用进展气象预测一直是人类社会中一项至关重要的工作。
随着气象科学研究的不断深入和超级计算机技术的快速发展，超级计算在气象预测中的应用也取得了长足的进展。
本文将探讨超级计算在气象预测领域的应用现状及未来发展趋势。
背景介绍气象预测是利用大气科学和气象观测数据，通过模型模拟和计算，对未来一段时间内的天气变化进行推测和预报的科学。
准确的气象预测对于国民经济、农业生产、灾害防范等方面都具有重要意义。
而实现准确的气象预测依赖于强大的计算能力和先进的模型算法。
超级计算在气象预测中的应用模拟精度提升超级计算机以其强大的运算能力和高效率，能够支持更高精度、更复杂的大气动力学模型。
通过在超级计算机上运行这些模型，可以更准确地模拟大气环流、降水分布等复杂现象，提高气象预测的准确性和可靠性。
预警系统优化利用超级计算机对海洋、大气环流等数据进行实时监测和分析，可以更及时地发现气象灾害的迹象，并通过模型仿真预测其可能发生的范围和影响程度，为相关部门提供更为准确的预警信息，帮助他们及时采取措施应对灾害。
精细化预报超级计算机还可以支持精细化气象预报。
通过对局地天气特征、地形等因素进行更精细化的建模和计算，可以为各个区域提供更为个性化、精准的天气预报信息，满足不同行业、不同需求群体对天气信息的实时性和精准性需求。
发展趋势分析模型算法不断优化未来，随着计算机技术的不断进步和模型算法的不断优化，超级计算在气象预测中将能够实现更高精度、更可靠的预报。
各国相关科研机构将不断加大在模型算法研究上的投入，提升气象预测技术水平。
多领域融合超级计算在气象预测中的应用也将融合更多领域知识，如人工智能、大数据分析等。
通过与这些新兴技术相结合，可以进一步提高气象预测的智能化水平，使得天气预报更符合实际情况。
网格化建模未来随着超级计算机技术不断提升和数据采集手段日益完善，天气模式建模将向着网格化方向发展。
这样不仅可以更加全面地覆盖各类数据源，还可以更加丰富地获取各类特征信号进行全面解决。
超级计算机技术在气象学领域中的应用研究
超级计算机技术在气象学领域中的应用研究随着计算机技术的快速发展，超级计算机逐渐成为了各领域研究的重要工具。
气象学作为一个重要的应用学科，也逐渐开始探索超级计算机技术在该领域中的应用研究。
一、超级计算机技术简介超级计算机是指速度极快、性能极高、存储容量巨大、能够完成大规模并行计算的计算机系统。
其主要用于科学计算、气象预测、天文学、航天技术等领域。
超级计算机的速度一般以每秒计算亿次（FLOPS）来表示，而高性能计算机则以每秒计算千亿次（TFLOPS）来表示。
二、超级计算机技术在气象学领域中的应用气象学作为一个非常重要的应用学科，在气象预测、气候研究等方面都有着广泛的应用。
而超级计算机技术在气象学中的应用也是非常广泛的。
1.气象预测气象预测是气象学中一个非常重要的应用领域。
其主要用于预测大气中各种物理和化学变量的发展趋势。
气象预测需要大量的数据和计算，而超级计算机可以大大提供计算能力与存储能力。
例如，中国气象局的“天河一号”超级计算机，可以提供每天数十次的全球天气预报和中长期气候预测。
该计算机可以对全球大气环流模型进行计算，为气象预测提供重要支撑。
2.海洋气象研究海洋气象研究是气象学中的一个重要领域，其主要研究海洋与大气之间的相互作用。
而这方面的研究需要大量的海洋数据和计算模型，超级计算机具有非常强的计算能力和存储能力，可以为海洋气象研究提供强有力的支持。
例如，日本的“京”超级计算机可以用于模拟台风与海洋之间的相互作用，预测台风的路径和影响范围。
这对海洋气象研究具有非常重要的意义。
3.气候变化研究气候变化是当今全球面临的一个严重问题。
而气候变化研究需要大量的计算和模型进行支撑，而超级计算机可以为气候变化模型的建立和研究提供非常强的支持。
例如，欧洲的“托雷”超级计算机可以用于模拟全球气候模型，预测未来几十年全球气候的变化趋势。
该计算机可以提供大量的数据和计算支持，为全球气候变化的研究提供了强有力的支撑。
超算在气象预测中的应用进展
超算在气象预测中的应用进展随着科技的飞速发展，超级计算机（超算）在气象预测领域的应用越来越广泛。
气象预测是一项复杂的任务，涉及多种环境因素，如温度、湿度、风速等。
传统的气象模型由于计算能力有限，往往无法对复杂的气候系统进行有效模拟。
而超算的强大计算能力能够显著提高气象模型的精确度和预测时效，从而为人类预测天气、应对自然灾害提供重要支持。
超算原理概述超级计算机是一种拥有极高计算能力的计算机系统，其性能通常以浮点运算每秒（FLOPS）为单位进行衡量。
与传统计算机相比，超算可以同时处理大量的数据，在模拟复杂的物理现象时具有显著优势。
在气象学中，超算主要用于大规模数值天气预报（NWP），通过求解复杂的气候方程来获得天气变化情况。
超算在气象预测中的应用背景气象预测并不仅仅依赖于地面观测数据，还需要使用卫星遥感、雷达监测等多种手段获取大范围的气象信息。
这些数据量庞大且复杂，传统的计算资源无法满足处理需要。
而超级计算机通过强大的并行处理能力，可以实时处理和分析百万级的数据集，精确模拟出天气预报模型。
这使得通过超算进行气象预测已成为未来发展的必然趋势。
气象模型及其需求现代气象模型通常包括数值天气预报模型、气候模型和区域气候模型等。
在对天气现象进行模拟时，这些模型需要解决复杂的微分方程，这些方程整合了物理学和流体力学等多项理论。
因此，模型越复杂，对计算能力和内存要求越高。
超级计算机作为强大的数据处理和存储平台，能够同时进行多条天气数据线性运算，提高模型运算的准确性。
超算与数值天气预报的发展历程早在20世纪50年代，研究人员就开始尝试用数字方式进行天气预报。
而随着计算机技术的发展，到20世纪80年代，出现了第一代数值天气预报系统。
进入21世纪后，随着超级计算机的逐步普及及相关技术的发展，数值天气预报得到了长足的发展。
这一时期，为了提高气候预报精度，各国争相建立起大量基于超算的预测中心，加大投入以开发新算法并优化现有模型。
超级计算机技术在气象预报中的应用
超级计算机技术在气象预报中的应用随着科技的不断发展，超级计算机技术已逐渐成为高效解决问题的利器。
在气象预测领域，超级计算机技术也发挥着非常重要的作用。
本文主要从超级计算机技术在气象预测中的应用和作用展开讨论。
一、气象预测中的任务气象预测是一项系统的任务，其中涉及了大量的计算和模拟。
由于各种不同尺度的气象现象都会对所在地区产生很大的影响，因此气象预测中，需要对不同尺度的天气现象进行预测。
比如，需要预测国家的局部降水，也需要预测超过几百公里的飓风路径。
气象预测需要依靠大量数据的分析和计算，如温度、湿度、气压、风向、速度等气象要素，模拟气流流动等。
除了气象要素数据，还需要土壤、植被和水文数据等辅助资料，以获得更准确的预测结果。
随着计算机技术的发展，目前已经可以使用高性能计算机处理气象预测的大量数据和模拟计算，以提升预测精度和效率。
二、气象预测中的困难气象预测的困难主要是因为气象系统是一种完全不同于人为控制的系统。
气象系统内部很复杂，涵盖了自然界的各种物理事象，因此气象预测存在很大的不确定性。
其次，气象系统的不稳定性和可变性也使其难以准确预测。
例如，台风的路径、强度、速度等等都是不确定性因素，需要通过大量的数据采集和计算实现预测。
这种不确定性不仅限于台风，还存在于大部分气象系统中，比如冷暖气团的形成和漂移、降水和雪量分布、雷暴系统的出现和发展等等。
三、超级计算机解决方案在面对气象预测中的困难时，超级计算机已成为解决方案。
超级计算机的主要特点是处理大量数据时速度与效率都非常高。
对于大量的气象数据处理和模拟计算，超级计算机已经成为不可或缺的工具。
尤其是随着高性能计算、互联网技术等的迅速发展，使用大数据和人工智能技术进行气象数据挖掘和大规模气象预测已成为现实。
通过高性能计算和机器学习等技术，可以更加准确预测气象系统中的各种要素，比如温度、湿度、气压、风向、速度等等。
此外，还可以基于先前的数据建立机器学习模型，以实现气象预测的加速和优化。
超级计算机在气象预测中的应用
超级计算机在气象预测中的应用超级计算机在气象预测中的应用随着科技的不断进步，超级计算机已经成为了现代气象研究不可或缺的工具。
从月球上的气象研究到地球气象预测，超级计算机的应用使得气象预测的精确度越来越高。
本文就超级计算机在气象预测领域中的应用进行了探讨。
一、超级计算机简介超级计算机，又称为高性能计算机，是一种针对高速数据处理和高性能计算而设计的计算机。
一般超级计算机的运算速度比普通计算机快上千倍，能够进行更加复杂的运算和数据分析处理。
超级计算机通常由许多的处理器组成，这些处理器可以同时进行运算，从而大幅提高计算速度。
超级计算机的使用范围十分广泛，不仅可以用于气象预测，还可以用于气候模拟、物理模拟、地震模拟等各个领域。
二、超级计算机在气象预测中的应用气象预测是指对未来天气和气象环境进行有关变化的预测和估计。
气象预测对于航空、能源、交通、农业、林业、水利、环保等各个领域都有重要的影响。
而对于气象预测的精确性以及时间范围的问题，则一直是行业关注的重点。
超级计算机正是解决这个问题的最好方式。
1.模拟大气系统超级计算机在气象预测中最直接最重要的功能是模拟大气系统。
利用超级计算机进行大气系统模拟可以获得包括温度、湿度、降水、风等多个气象参数的数据。
利用这些数据可以更加准确地预测气象现象，并且在运算规模处理上使得气象预测精确度得到了极大的提高。
2.构建气象模型气象预测需要复杂的模型来计算。
利用超级计算机进行高精度气象模型的构建，与传统的气象预测相比，超级计算机的模型可以更加逼真地对气象现象进行预测。
这样，气象预测准确度可以得到更大的提升。
3.提升气象数据处理速度超级计算机拥有超高的运算速度，能够处理大量的气象数据。
对于气象数据的处理来说，当计算速度达到一定程度时，数据量增加对处理速度影响就会降低。
因此，超级计算机的运算速度对于气象数据处理的精确度和速度的提高十分重要。
三、超级计算机在气象预测中的局限性虽然超级计算机可以提高气象预测的精确度和时间范围，但在气象预测中仍有一些局限性。
超算技术在气象预测中的应用研究
超算技术在气象预测中的应用研究一、概述气象预测是当前社会重要的应用领域之一，也是一项高精度、高可靠性的技术。
随着计算机技术的飞速发展，超级计算机的出现使得气象预测得以更加深入、精确。
超算技术在气象预测中的应用研究已引起人们的广泛关注。
二、超算技术在气象预测中的应用1. 数值天气预报模型数值天气预报模型是天气预报的基础，也是超算技术在气象预测中最为重要的应用领域。
数值预报模型的主要任务是建立大气运动的模拟体系，使用物理参数方程和数值算法解析大气和海洋的运动方程，计算出未来一段时间内的气象要素变化，如气温、气压、湿度、降水等，从而提供准确的气象预报服务。
数值天气预报模型需要在极其短的时间内处理、储存和计算大量数据，超算技术在其中起到了不可替代的作用。
传统的天气预报需要计算上万点数据，而现在的数值预报模型已经发展到了千万甚至亿级的数据量，这些大规模数值计算任务需要利用超级计算机来完成。
2. 区域气象模式区域气象模式主要针对特定区域的气象预测，通常需要依据该区域的地形特征、地形高度差异、海洋特征和云系演变等数据信息，建立相关的数学模型，通过预测其演变趋势，来提供准确的天气预报。
区域气象模式在很大程度上借鉴了数值天气预报模型的技术和思路，但需要更多关注具体的地理、气象现象等特殊的因素，因此难度更大。
同时，区域气象预测需要更精细的计算和分辨率，和更复杂的算法，这使得超级计算机成为了其必不可少的工具。
3. 气候模拟和气候预测气候模拟和气候预测是超算技术在气象预测中的又一重要应用方向。
气候模拟和气候预测的主要任务是模拟地球气候体系，提供未来数十年到数百年的气候变化趋势。
这项研究是为了解决如全球变暖等的长期气候问题，具有重要的科学意义和实用价值。
气候模拟和气候预测涉及到超算对复杂的、长期的气候体系运动的模拟和计算，需要处理数十亿级别的数据，这个工作是传统计算机所无法承担的。
三、超算技术应用在气象预测中的作用超算技术应用在气象预测中发挥了重要的作用，主要体现在以下方面：1. 提高了气象预报的精度和准确性超算技术的应用使气象预测的精度和准确性得到了显著提高，人们可以更加准确地预测天气变化，从而更好地进行安排和规划。
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do lm=1,mlength m = locm(lm,iam) lmr = lnstart(lm) if (m .eq. 1) then lmwave0 = lm lmrwave0 = lmr endif do n=2,nlen(m), 2 dalpn(lmr+n) = ldalp(lmr+n,irow)*rsq(m+n-1)*ra end do
式
5000
0 GRAPES-GLOBAL(0.25) GRAPES-GLOBAL(0.125)
GRAPES-MESO
GRAPES-4DVAR
GRAPES-SVD
200000 150000
IBM PI-Sugon
Time(s)
100000
50000
0 BCC_CSM
BCC_AGCM
“派”系统运行业务模式
32,576.6 1,649
25,326.3 2,272 27,112.5 8,209 20,132.7 7,890 43,902.6 3,844
持续性能
• ECMWF模式发展（2025实现5km全球集合预报）
ExaFlops
(Schulthess et al, 2018)
特征
• 计算性能E级、高能效、多架构并存 • 计算复杂性增加，如何发挥能力 • 气象模式向着更高时空分辨率，更复杂物理过程、集合预
560,640
8
DOE/NNSA/LLNL United States
Sequoia - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom , IBM
1,572,864
9
DOE/NNSA/LANL/SNL United States
Trinity - Cray XC40, Intel Xeon Phi 7250 68C 1.4GHz, Aries interconnect , Cray Inc.
IBM（北京局曙光） 曙光
1.7X
1200核 800核
北京局冬奥WRF
BCC_AGCM模式GPU计算
Inverse LT
>3X
Gaussian Quadrature
肖洒, 2017
do j=1,plat/2
ILT
call grcalcs(j, ztodt, grts(1,1,j), grths(1,1,j), grds(1,1,j), &
“派”曙光高性能计算机系统-绿色节能
众核（24节点，73.1TFlops） GPU（24节点，
289.5TFlops） 共享可用存储容量691.2TB
“派”曙光高性能计算机系统-能力规模
根据最新全球HPC TOP500排名，全球气象机构中，英国气象局共拥有3套P级高性 能计算机系统，总体能力最高，而中国气象局在引进“派”以后，总体系统规模将 超过欧洲中期气象中心ECMWF，跃居世界气象部门前列。
业务模式
主要天气/气候模式发展规划
“派”曙光高性能计算机系统-系统架构
与现有IBM系统架构相同：
两套互备子系统 通用Intel CPU处理器 Cluster架构 计算资源相对独立 共享存储资源，提高业务可靠性
比现有IBM系统新增：
小规模试验子系统
适应新技术发展，支持GPU/众核环境下 气象模式系统的研发及试验。
• 北京市气象局冬奥模式 • GRAPES_GFS 25km业务模式 • GRAPES_MESO 3km 业务模式
运行时间（秒）
12000 10000
8000
2048核
30小时
3.7X
1.87X
6000
48小时
4000
3840核
2000
0 GRAPES_GFS(25km)
GRAPES_MESO(3km)
1,572,480
National Super Computer Center in
Tianhe-2A - TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E5-
4
Guangzhou
2692v2 12C 2.2GHz, TH Express-2, Matrix-2000 ,
4,981,760
361,760
DOE/SC/Oak Ridge National
7
Laboratory
United States
Titan - Cray XK7, Opteron 6274 16C 2.200GHz, Cray Gemini interconnect, NVIDIA K20x , Cray Inc.
超级计算机“派”推动中国气象应用
高性能计算室 国家气象信息中心
内容
• 超算及气象模式发展 • CMA超算及气象模式发展 • CMA “派”曙光超级计算机介绍 • 气象模式异构计算
Rank
Site
System
Cores
DOE/SC/Oak Ridge National
1
Laboratory
United States
979,968
Rmax (TFlop/s) 122,300.0 93,014.6 71,610.0 61,444.5
19,880.0
19,590.0 17,590.0 17,173.2 14,137.3
Rpeak Power (TFlop/s) (kW) 187,659.3 8,806 125,435.9 15,371 119,193.6 100,678.7 18,482
grza, grua, gruha, grva, grvha, &
grpsa, grdpsa, grpma, grpla, tmpSPEcoef)
!$ACC END DATA
!$ACC DATA PRESENT(…) CREATE(…) !$ACC KERNELS !$acc loop do l=1, plat/2 !acc loop
grzs(1,1,j), grus(1,1,j), gruhs(1,1,j), grvs(1,1,j), grvhs(1,1,j), &
grpss(1,j), grdpss(1,j), grpms(1,j), grpls(1,j), tmpSPEcoef)
call grcalca(j, ztodt, grta(1,1,j), grtha(1,1,j), grda(1,1,j), &
谢谢
end do ...
Kernel codes
lmwave0 = lm lmrwave0 = lmr endif !$acc loop do n=2,nlen(m), 2 dalpn(lmr+n) = ldalp(lmr+n,irow)*rsq(m+n-1)* end do end do end do !$ACC END KERNELS … !ACC END DATA
“派”曙光高性能计算机系统-性能指标
总体能力：
计算能力：8,189.5TFLOPS 存储能力：23,088TB CPU总核数：98,432 内存容量：690,432GB 节点数量：3,076 硬盘数量：4,200 机柜数量：78 全年PUE：1.23
每个子系统包括：
1504*计算节点 24*前后处理节点 10*登录节点 8*管理节点 66*存储节点 3*648口核心IB交换机 102*36口接入IB交换机 17*以太网交换机
“派”高性能计算机系统
16000 14000
14166.8
Peak Performance(TFlops)
12000
计算能力 8,189.5 TFLOPS
10000
8000
为原有设计10倍、现有系统8倍； 6000
存储容量 23,088 TB
4000
11460
10010.8
8498.65
6835.9
Sunway TaihuLight - Sunway MPP, Sunway SW26010 260C 1.45GHz, Sunway , NRCPC
10,649,600
3
DOE/NNSA/LLNL United States
Sierra - IBM Power System S922LC, IBM POWER9 22C 3.1GHz, NVIDIA Volta GV100, Dualrail Mellanox EDR Infiniband , IBM
China
NUDT
National Institute of Advanced
AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI) -
5
Industrial Science and Technology (AIST)
PRIMERGY CX2550 M4, Xeon Gold 6148 20C 2.4GHz, NVIDIA Tesla V100 SXM2, Infiniband
Summit - IBM Power System AC922, IBM POWER9 22C 3.07GHz, NVIDIA Volta GV100, Dual-rail Mellanox EDR Infiniband, IBM
2,282,544
2
National Supercomputing Center in Wuxi China
Japan
EDR , Fujitsu
391,680
Swiss National Supercomputing
6
Centre (CSCS)