在海滩上，海浪提供了舒缓的白噪声。但在科学实验室中，海浪在天气预报和气候研究中发挥着关键作用。与大气层一样，海洋通常是地球系统模型（如美国能源部的能源超大规模地球系统模型，简称 E3SM）中体积最大、计算要求最高的组成部分之一。

图中描述的是 MPAS-Ocean 模拟的洋面洋流。资料来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室、E3SM、美国能源部

MPAS-Ocean模型的新求解器算法通过缩短计算时间和提高精确度，大大加强了气候研究。这一突破集成了 Fortran 和 C++ 编程，在高效可靠的气候建模方面向前迈出了一步。

海洋建模的突破

大多数现代海洋模型都侧重于两类波浪：波浪传播速度较快的向气压系统和波浪传播速度较慢的向气压系统。为了帮助解决同时模拟这两种模式的难题，来自能源部橡树岭国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室和桑迪亚国家实验室的一个团队开发了一种新的求解器算法，将 E3SM 的海洋环流模型"跨尺度海洋预报模型"（MPAS-Ocean）的总运行时间缩短了 45%。

研究人员在美国国家实验室橡树岭领http://www.196nk.cn导计算设施（ORNL's Oak Ridge Leahttp://www.196nk.cndership Computing Facility）的 Summit 超级计算机（能源部科学办公室的用户设施）和太平洋西北国家实验室的 Compy 超级计算机上测试了他们的软件。他们在劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心的 Cori 和 Perlmutter 超级计算机上进行了主要模拟，其结果发表在《高性能计算应用国际期刊》上。

气候建模计算的创新

Trilinos是一个开源软件数据库，非常适合在超级计算机上解决科学问题，它是用C++编程语言编写的，而像E3SM这样的地球系统模型通常是用F196世界之最ortran语言编写的，因此研究小组利用ForTrilinos（一个将Fortran接口纳入现有C++软件包的相关软件库）来设计和定制新的求解器，该求解器的重点是气压波。

"这个接口的一个有用功能是，我们可以在Fortran语言中使用C++软件包的每个组件，因此我们不需要翻译任何东西，这非常方便，"领衔作者、ORNL计算地球系统科学家Hyun Kang说。

MPAS-Ocean的改进

ORNL和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员在《地球系统建模进展期刊》（Journal of Advances in Modeling Earth Systems）上发表了一篇论文，对MPAS-Ocean进行了改进。现在，支持ForTrilinos的求解器已经克服了之前研究中求解器的其余缺点，尤其是当用户使用少量计算核心运行MPAS-Ocean以解决给定问题时。

MPAS-Ocean的默认求解http://www.196nk.cn器依赖于显式子卷积（explicit subcyling）技术，该技术使用许多小的时间间隔或时间步长，在不破坏模型稳定的情况下，计算各向气流波的特性，同时进行斜压模分解计算。如果以 300 秒和 15 秒的时间步长分别推进一个巴罗克线性波和一个向气性波，向气性计算需要完成 20 倍的迭代才能保持同样的速度，这需要大量的计算能力。

相比之下，新的各向压系统求解器是半隐式的，这意味着它是无条件稳定的，因此研究人员可以在不牺牲精度的情况下使用相同数量的大时间步长，从而节省大量时间和计算能力。

一个软件开发人员社区花费数年时间优化了Trilinos和Fortrilinos中的各种气候应用，因此利用这一资源的最新MPAS-Ocean求解器的性能优于手工制作的求解器，使其他科学家能够加快他们的气候研究工作。

Kang说："如果我们必须对每种算法进行单独编码，那将需要更多的精力和专业知识。但有了这款软196世界之最件，我们可以通过将优化算法纳入程序，以更快的速度立即运行模拟。"

未来的改进和影响

尽管目前的求解器在高性能计算系统上仍有可扩展性的限制，但在处理器数量达到一定程度时，它的性能还是非常出色的。之所以存在这种缺点，是因为半隐式方法要求所有处理器在每个时间步至少相互通信 10 次，这会降低模型的性能。为了克服这一障碍，研究人员目前正在优化处理器通信，并将求解器移植到 GPU 上。

此外，研究小组还更新了斜压模分解算法的时间步进方法，以进一步提高 MPAS-Ocean 的效率。通过这些进展，研究人员的目标是使气候预测更快、更可靠、更准确，这是确保气候安全、实现及时决策和高分辨率预测的重要升级。

"这种气压模式求解器能够加快计算速度，更稳定地集成各种模式，尤其是 MPAS-Ocean，"Kang 说。"广泛使用计算资源需要大量的电力和能源，但通过加快这一模型的速度，我们可以减少能源消耗，改进模拟，并更轻松地预测未来几十年甚至上千年的气候变化影响。"

参考文献：Hyun-Gyu Kang、Raymond S Tuminaro、Andrey Prokopenko、Seth R Johnson、Andrew G Salinger 和 Katherine J Evans 所著《使用现代 Fortran 求解器接口的 MPAS-ocean 隐式气压模式求解器》，2023 年 11 月 17 日，《高性能计算应用国际期刊》。

doi: 10.1177/10943420231205601

编译来源：ScitechDaily