高性能計算在空氣質(zhì)量預(yù)報中的重要性

陳 磊

（河北省環(huán)境應(yīng)急與重污染天氣預(yù)警中心 河北 石家莊 050030）

近年來，通過不斷研究探索，各區(qū)域、省、市環(huán)境保護(hù)部門與相關(guān)的氣象部門進(jìn)行合作，進(jìn)行了多種預(yù)報方法的研究與應(yīng)用，基本形成潛勢預(yù)報、統(tǒng)計預(yù)報和數(shù)值預(yù)報相結(jié)合的污染預(yù)報模式。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和預(yù)報準(zhǔn)確性的不斷提高，數(shù)值預(yù)報模式越來越受到重視，并在空氣質(zhì)量預(yù)報中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 超級計算機的發(fā)展

超級計算機(supercomputer)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期。第一代超級計算機是單指令多數(shù)據(jù)流的陣列計算機。第二代超級計算機是具有流水結(jié)構(gòu)的向量機。第三代超級計算機是具有多指令多數(shù)據(jù)流形式的共享存儲多處理機系統(tǒng)。第四代超級計算機是MPP系統(tǒng)，它由上萬個處理機組成，憑借高度平行來獲取超高性能。第五代超級計算機是集群系統(tǒng)，這是當(dāng)今最流行的超級計算機。早期的集群系統(tǒng)采用同構(gòu)方式，當(dāng)今集群逐步轉(zhuǎn)向采用異構(gòu)方式。上世紀(jì)80年代后期，隨著超算應(yīng)用面的逐漸擴(kuò)大，高性能計算的概念產(chǎn)生了，隨之而來的是，超級計算走向了各個行業(yè)和領(lǐng)域，人們對超算的追求已經(jīng)不是單一的計算，而是轉(zhuǎn)向了高性能的綜合指標(biāo)。

HPC高性能計算(High Performance Computing)主要由五類計算設(shè)備和三類網(wǎng)絡(luò)組成。五類設(shè)備主要指登錄節(jié)點、管理節(jié)點、計算節(jié)點、交換設(shè)備、I/O節(jié)點和存儲設(shè)備，三類網(wǎng)絡(luò)主要是計算網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)和存儲網(wǎng)絡(luò)。

有關(guān)人類社會文明進(jìn)步的巨大挑戰(zhàn)性問題求解的迫切需要和新的挑戰(zhàn)性問題的不斷涌現(xiàn)，促使超級計算機不斷發(fā)展。有的需要高時效性，如數(shù)值氣象預(yù)報；有的需要高精度，如核爆模擬；有的需要高吞吐量，如海量的事務(wù)處理；更有的可能在時間、精度和吞吐量上都有要求。

以數(shù)值預(yù)報的應(yīng)用問題求解為例，將地球的大氣層建立數(shù)值模型，把大氣層劃分為數(shù)個三維的單元格，利用牛頓運動定律、質(zhì)量守恒定律、熱力學(xué)第一定律、狀態(tài)方程、水汽方程等構(gòu)成非線性偏微分方程組來估測各種影響。實際上，每個單元內(nèi)影響大氣的各種條件(風(fēng)溫濕壓)是前一時間間隔中的大氣條件通過非線性方程組進(jìn)行計算得到的，每個大氣單元的計算都要重復(fù)許多次，用來模擬時間的向前推移。此模型的關(guān)鍵點在于有足夠多的單元數(shù)，有足夠的單元數(shù)模擬數(shù)據(jù)才更具有效性。為了預(yù)報未來幾天的大氣條件，由于大氣層會受到遠(yuǎn)距離大氣事件的影響，所以大氣模型要覆蓋足夠大的范圍。假設(shè)劃分的每個單元格大小為1 km×1 km×1 km，高度為20 km(20個單元格的高度)，估計有1×109個單元格，假設(shè)每個單元進(jìn)行200次浮點操作，則在一個時間步中就必須完成2×1011次浮點操作，如果預(yù)報7天以上的天氣，時間間隔為1分鐘，則需要10 080個時間步和總計2×1015次浮點運算。對于一臺運算速度為109浮點運算/秒的計算機則需要2×106秒，超過十天才能完成上述計算，顯然是不能滿足要求的。如果想要在5分鐘內(nèi)完成上述計算，則需要運算速度達(dá)到6.8×1012浮點運算/秒的計算機。如果將分割單元縮小到0.1 km×0.1 km×0.1 km的大小，則總的浮點運算次數(shù)將會增加到2×1019次，若同樣想在5分鐘內(nèi)完成這一計算，則需要運算速度為6.8×1015浮點運算/秒的計算機。

2 數(shù)值預(yù)報模式的原理

數(shù)值預(yù)報主要利用牛頓運動定律、質(zhì)量守恒定律、熱力學(xué)第一定律、狀態(tài)方程、水汽方程構(gòu)成非線性偏微分方程組，通常無解析解。通過對方程進(jìn)行離散化，用差分近似微分，空間差分和時間差分進(jìn)行數(shù)值求解。

數(shù)值預(yù)報方法以大氣動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，把初始和邊界條件、污染源清單、模擬氣象場等數(shù)據(jù)輸入非線性偏微分方程組，模擬大氣污染物在大氣中的輸送、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化、沉降等過程。通過高性能計算集群數(shù)值求解，描述出污染物的傳輸過程、污染物動態(tài)變化分布以及變化趨勢。數(shù)值模型是建立在科學(xué)的理論和假設(shè)基礎(chǔ)之上，用數(shù)值方法描述大氣中污染物的傳輸、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)以及清除過程，通過輸入污染源清單、地理數(shù)據(jù)以及模擬氣象場、運行模式得到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

數(shù)值模式預(yù)報系統(tǒng)一般包括高性能計算硬件系統(tǒng)，以及空氣質(zhì)量模式、氣象數(shù)值模式、源清單編制與動態(tài)更新機制、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同化和綜合分析工具等軟件系統(tǒng)。涉及多尺度范圍、多種污染物、多種物理化學(xué)過程、高時空分辨率。

3 數(shù)值預(yù)報模式的影響因素

數(shù)值預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確率決定了空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確率，模式產(chǎn)品準(zhǔn)確率越高，業(yè)務(wù)預(yù)報基礎(chǔ)越好。數(shù)值預(yù)報模式結(jié)果主要受以下幾點因素影響：模擬氣象場的準(zhǔn)確度、模式的分辨率(模型單元格的大小)、污染源清單的準(zhǔn)確度和空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)等。3.1 模式分辨率。模式分辨率主要分為垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率主要反映混合層高度、對流層垂直擴(kuò)散等大氣層結(jié)構(gòu)特征，水平分辨率主要反映污染物水平分布，以及傳輸、擴(kuò)散等變化趨勢。

圖1 不同分辨率模式結(jié)果對比

如圖1，左圖分辨率為45×45 km約108網(wǎng)格，右圖為5×5 km約8720網(wǎng)格，右圖比左圖能夠更準(zhǔn)確的描述污染物的擴(kuò)散沉降過程。

在發(fā)生大氣重污染過程時，高分辨率的模式結(jié)果更有利于預(yù)報員判斷污染過程的起止時間、影響范圍和影響程度等關(guān)鍵信息。

3.2 大氣條件預(yù)報結(jié)果。模擬氣象場是數(shù)值預(yù)報模式的重要前提條件，直接影響預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確度。當(dāng)發(fā)生重污染過程時，分析判斷重污染的影響范圍程度和結(jié)束時，主要依賴相應(yīng)時間段的模擬氣象場結(jié)果。

3.3 污染源清單。污染源清單反映了一定范圍內(nèi)大氣污染排放量的時空分布特征，是數(shù)值預(yù)報模式重要的輸入數(shù)據(jù)。全面、準(zhǔn)確、高分辨率并動態(tài)更新的污染源清單可提高預(yù)報的準(zhǔn)確率，有利于精確開展重污染過程中污染物源解析和去向追蹤。

無論是提高預(yù)報模式的分辨率、還是提高大氣預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確度，或者輸入高分辨率的污染源清單都對高性能計算集群提出了更高的要求，增加更大的作業(yè)量，提高高性能計算集群的計算速度成為提高空氣質(zhì)量預(yù)報準(zhǔn)確度的關(guān)鍵點。

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