高性能計算在空氣質(zhì)量預報中的重要性

陳 磊

（河北省環(huán)境應急與重污染天氣預警中心 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)境保護部門與相關的氣象部門進行合作，進行了多種預報方法的研究與應用，基本形成潛勢預報、統(tǒng)計預報和數(shù)值預報相結合的污染預報模式。隨著計算機技術的迅速發(fā)展和預報準確性的不斷提高，數(shù)值預報模式越來越受到重視，并在空氣質(zhì)量預報中發(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構的向量機。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)，這是當今最流行的超級計算機。早期的集群系統(tǒng)采用同構方式，當今集群逐步轉(zhuǎn)向采用異構方式。上世紀80年代后期，隨著超算應用面的逐漸擴大，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。

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

有關人類社會文明進步的巨大挑戰(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)值預報的應用問題求解為例，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、熱力學第一定律、狀態(tài)方程、水汽方程等構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行計算得到的，每個大氣單元的計算都要重復許多次，用來模擬時間的向前推移。此模型的關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。為了預報未來幾天的大氣條件，由于大氣層會受到遠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，假設每個單元進行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)值預報模式的原理

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

數(shù)值預報方法以大氣動力學理論為基礎，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的理論和假設基礎之上，用數(shù)值方法描述大氣中污染物的傳輸、擴散、化學反應以及清除過程，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、多種物理化學過程、高時空分辨率。

3 數(shù)值預報模式的影響因素

數(shù)值預報結果的準確率決定了空氣質(zhì)量預報業(yè)務的準確率，模式產(chǎn)品準確率越高，業(yè)務預報基礎越好。數(shù)值預報模式結果主要受以下幾點因素影響：模擬氣象場的準確度、模式的分辨率(模型單元格的大小)、污染源清單的準確度和空氣質(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、對流層垂直擴散等大氣層結構特征，水平分辨率主要反映污染物水平分布，以及傳輸、擴散等變化趨勢。

圖1 不同分辨率模式結果對比

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確的描述污染物的擴散沉降過程。

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

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

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)值預報模式重要的輸入數(shù)據(jù)。全面、準確、高分辨率并動態(tài)更新的污染源清單可提高預報的準確率，有利于精確開展重污染過程中污染物源解析和去向追蹤。

無論是提高預報模式的分辨率、還是提高大氣預報結果的準確度，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)量預報準確度的關鍵點。

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