该图描绘了MPAS-Ocean模拟的海洋表面洋流。资料来源:美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室

　　一种新的MPAS-Ocean模式求解器算法通过减少计算量显著增强了气候研究提高时间和精度。这一突破，集成了Fortran和c++编程，是在高效可靠的气候建模方面迈出的一步。

　　在海滩上，海浪发出舒缓的白噪音。但在科学实验室中，它们在天气预报和气候研究中发挥着关键作用。与大气一样，海洋通常是地球系统模型中最大、计算要求最高的组成部分之一，比如能源部的能源百亿亿次地球系统模型(E3SM)。

　　海洋模拟的突破

　　大多数现代海洋模型关注两类波:波传播速度快的正压系统和波传播速度慢的斜压系统。为了帮助解决同时模拟这两种模式的挑战，来自美国能源部橡树岭、洛斯阿拉莫斯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，可以将E3SM的海洋环流模型跨尺度预测模型-海洋(mpas -海洋)的总运行时间减少45%。

　　研究人员在ORNL橡树岭领导计算设施(美国能源部科学办公室用户设施)的Summit超级计算机和太平洋西北国家实验室的company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的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初步模拟，他们的结果发表在《国际高性能计算应用杂志》上。

　　气候模拟计算的创新

　　由于Trilinos是一个用于在超级计算机上解决科学问题的理想开源软件数据库，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Fortran编写的，因此该团队利用ForTrilinos(一个相关的软件库，将Fortran接口集成到现有的c++包中)来设计和定制新的求解器，它专注于正压波。

　　ORNL的计算地球系统科学家、第一作者Hyun Kang说:“这个接口的一个有用的特性是，我们可以在Fortran语言中使用c++包的每个组件，所以我们不需要翻译任何东西，这非常方便。”

　　海洋资源管理系统的改进

　　这项工作建立在之前发表在《地球系统建模进展杂志》上的研究成果的基础上，在这篇论文中，来自ORNL和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员手工编写了一个代码来改进MPAS-Ocean。现在，支持fortrilinos的求解器已经克服了先前研究中求解器的剩余缺点，特别是当用户使用少量计算核心来运行MPAS-Ocean时。

　　MPAS-Ocean的默认解算器依赖于显式子周期，这是一种使用许多小时间间隔或时间步长的技术，可以在不破坏模型稳定的情况下，结合斜压计算来计算正压波的特征。如果斜压波和正压波可以分别以300秒和15秒的时间步长推进，则正压计算需要完成20次以上的迭代才能保持相同的速度，这需要大量的计算能力。

　　相比之下，新的正压系统求解器是半隐式的，这意味着它是无条件稳定的，因此允许研究人员使用相同数量的大时间步而不牺牲精度，节省大量的时间和计算能力。

　　一个软件开发者社区花了数年时间在Trilinos和Fortrilinos中优化各种气候应用程序，因此利用这一资源的最新MPAS-Ocean求解器比手工制作的求解器性能更好，使其他科学家能够加速他们的气候研究工作。

　　“如果我们必须单独编写每个算法的代码，那将需要更多的努力和专业知识，”Kang说。“但有了这个软件，通过将优化算法纳入我们的程序，我们可以立即以更快的速度运行模拟。”

　　未来的改进和影响

　　尽管当前的求解器在高性能计算系统上仍然存在可伸缩性限制，但它在一定数量的处理器上表现得非常好。这种缺点的存在是因为半隐式方法要求所有处理器每个时间步至少相互通信10次，这可能会降低模型的性能。为了克服这个障碍，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，该团队还更新了斜压系统的时间步进方法，以进一步提高MPAS-Ocean的效率。通过这些进步，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必要升级。

　　“这种正压模式求解器可以实现更快的计算和更稳定的模型集成，特别是MPAS-Ocean，”Kang说。“大量使用计算资源需要大量的电力和能源，但通过加速这个模型，我们可以减少能源使用，改进模拟，更容易预测未来几十年甚至几千年气候变化的影响。”

　　这项研究得到了E3SM和Exascale计算项目(ECP)的支持。E3SM由美国能源部科学办公室的生物与环境研究项目资助，ECP由美国能源部和国家核安全局管理。美国能源部科学办公室的高级科学计算研究项目资助OLCF和NERSC。