高性能计算之源起——科学计算的应用现状及发展思考

我国典型传统科学计算应用现状与发展

多年来，中国科学院一直走在我国科学计算应用发展的前列。无论是应用水平、计算规模还是成果显示度均取得了长足的进步。除了上述代表性成果，中国科学院的应用成果还有许多。但因篇幅所限，以下仅选取几个中国科学院典型传统科学计算应用领域，从科学家视角，谈谈科学计算应用现状与发展和一些思考，以期窥一斑见全貌，更希望能引发读者更深入的思考与关注。

大气科学之全球气候海洋模式

现状

全球气候海洋模式是气候系统模式的重要组成部分，也是气候研究、气候预测和预估不可或缺的工具。空间分辨率的持续增加是海洋环流模式发展的重要趋势之一。全球高分辨率海洋模式的发展要追溯到20世纪90年代初，第一个全球25公里的海洋模式使用了美国地球物理流体力学实验室（GFDL）发展的MOM模式。21世纪开始，随着以日本的“地球模拟器”为代表的大型超算平台的发展，国际上有20多家模式开发中心开始进行全球涡分辨（10公里）模式的发展和研究，包括日本的JAMSTEC，美国的NCAR、NOAA GFDL、FSU，以及德国的MPI气象研究所等。

我国国内的高分辨率全球海洋模式多是引进国外的模式，如在气候模式应用的MOM和POP模式，以及在预报系统中采用的HYCOM和NEMO模式。中国科学院大气物理研究所在全球海洋模式发展方面进行了长期攻关，所发展的涡分辨率全球海洋环流模式——LASG／IAP气候系统海洋模式（LASG／IAP Climate System Ocean Model，LICOM）也是我国唯一自主发展的全球海洋环流模式。LICOM海洋模式的模拟结果参与了历次国际耦合模式比较计划（CMIP）并被政府间气候变化专门委员会（IPCC）引用，其最新版本的模式被国际同行认为是对ENSO（El Niño－Southern Oscillation）模拟能力最好的模式之一。不仅如此，基于LICOM海洋模式成功地研制了水平分辨率为10公里的海洋环流模式，可显式地模拟海洋中尺度涡旋。中国科学院计算机网络信息中心王文浩等采用MIC并行优化LICOM，实现了较好的加速效果，加速比达到2．09。高分辨率的LICOM支撑了国家和中国科学院的多项大型专项，也应用在国家海洋局环境预报中心等海洋业务中，为日常经济活动等提供了海洋环境保障。

对领域应用的促进

对历年参加CMIP计划模式中海洋分量模式分辨率的分析表明，气候海洋模式最高分辨率的增长基本与计算机发展的摩尔定律相吻合，即模式的分辨率受限于计算能力。随着高性能计算的发展，近期美国国家航空航天局（NASA）采用MITgcm海洋模式，进行了全球2公里的试验。虽然试验受限于计算量和存储量，仅仅运行了1年左右，但其结果第一次实现了对全球次中尺度涡的垂直输送的估算，发现了次中尺度涡在海洋上层热量收支中的重要作用，对于海洋科学和气候变化研究都有重要的意义。与此同时，国内的多家海洋研究单位，也在着手尝试联合进行此方面的研发，有逐步赶超国际的发展趋势。

发展趋势

随着E超级计算平台的研发，全球海洋模式的水平分辨率必然也会向公里级、百米级发展，可分辨种类更齐全的海洋运动形式，如次中尺度涡、内波等。在数值模式中分辨更多的海洋运动形式也是海洋科学的重要发展趋势，而国产计算系统的建设是发展我国自主研制超高分辨率海洋模式的绝佳契机。