高性能計(jì)算在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)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(bào)方法的研究與應(yīng)用，基本形成潛勢(shì)預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和數(shù)值預(yù)報(bào)相結(jié)合的污染預(yù)報(bào)模式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的不斷提高，數(shù)值預(yù)報(bào)模式越來越受到重視，并在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展

超級(jí)計(jì)算機(jī)(supercomputer)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期。第一代超級(jí)計(jì)算機(jī)是單指令多數(shù)據(jù)流的陣列計(jì)算機(jī)。第二代超級(jí)計(jì)算機(jī)是具有流水結(jié)構(gòu)的向量機(jī)。第三代超級(jí)計(jì)算機(jī)是具有多指令多數(shù)據(jù)流形式的共享存儲(chǔ)多處理機(jī)系統(tǒng)。第四代超級(jí)計(jì)算機(jī)是MPP系統(tǒng)，它由上萬個(gè)處理機(jī)組成，憑借高度平行來獲取超高性能。第五代超級(jí)計(jì)算機(jī)是集群系統(tǒng)，這是當(dāng)今最流行的超級(jí)計(jì)算機(jī)。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(jì)算的概念產(chǎn)生了，隨之而來的是，超級(jí)計(jì)算走向了各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，人們對(duì)超算的追求已經(jīng)不是單一的計(jì)算，而是轉(zhuǎn)向了高性能的綜合指標(biāo)。

HPC高性能計(jì)算(High Performance Computing)主要由五類計(jì)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(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、交換設(shè)備、I/O節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)設(shè)備，三類網(wǎng)絡(luò)主要是計(jì)算網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

有關(guān)人類社會(huì)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(jí)計(jì)算機(jī)不斷發(fā)展。有的需要高時(shí)效性，如數(shù)值氣象預(yù)報(bào)；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(shí)間、精度和吞吐量上都有要求。

以數(shù)值預(yù)報(bào)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(gè)三維的單元格，利用牛頓運(yùn)動(dòng)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(cè)各種影響。實(shí)際上，每個(gè)單元內(nèi)影響大氣的各種條件(風(fēng)溫濕壓)是前一時(shí)間間隔中的大氣條件通過非線性方程組進(jìn)行計(jì)算得到的，每個(gè)大氣單元的計(jì)算都要重復(fù)許多次，用來模擬時(shí)間的向前推移。此模型的關(guān)鍵點(diǎn)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(bào)未來幾天的大氣條件，由于大氣層會(huì)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(gè)單元格大小為1 km×1 km×1 km，高度為20 km(20個(gè)單元格的高度)，估計(jì)有1×109個(gè)單元格，假設(shè)每個(gè)單元進(jìn)行200次浮點(diǎn)操作，則在一個(gè)時(shí)間步中就必須完成2×1011次浮點(diǎn)操作，如果預(yù)報(bào)7天以上的天氣，時(shí)間間隔為1分鐘，則需要10 080個(gè)時(shí)間步和總計(jì)2×1015次浮點(diǎn)運(yùn)算。對(duì)于一臺(tái)運(yùn)算速度為109浮點(diǎn)運(yùn)算/秒的計(jì)算機(jī)則需要2×106秒，超過十天才能完成上述計(jì)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(jì)算，則需要運(yùn)算速度達(dá)到6.8×1012浮點(diǎn)運(yùn)算/秒的計(jì)算機(jī)。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(diǎn)運(yùn)算次數(shù)將會(huì)增加到2×1019次，若同樣想在5分鐘內(nèi)完成這一計(jì)算，則需要運(yùn)算速度為6.8×1015浮點(diǎn)運(yùn)算/秒的計(jì)算機(jī)。

2 數(shù)值預(yù)報(bào)模式的原理

數(shù)值預(yù)報(bào)主要利用牛頓運(yùn)動(dòng)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(duì)方程進(jìn)行離散化，用差分近似微分，空間差分和時(shí)間差分進(jìn)行數(shù)值求解。

數(shù)值預(yù)報(bào)方法以大氣動(dòng)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(chǎng)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(jì)算集群數(shù)值求解，描述出污染物的傳輸過程、污染物動(dòng)態(tài)變化分布以及變化趨勢(shì)。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(chǎng)、運(yùn)行模式得到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

數(shù)值模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)一般包括高性能計(jì)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(dòng)態(tài)更新機(jī)制、監(jiān)測(cè)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(shí)空分辨率。

3 數(shù)值預(yù)報(bào)模式的影響因素

數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確率決定了空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)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(bào)基礎(chǔ)越好。數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)果主要受以下幾點(diǎn)因素影響：模擬氣象場(chǎng)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(cè)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(duì)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(shì)。

圖1 不同分辨率模式結(jié)果對(duì)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(shí)，高分辨率的模式結(jié)果更有利于預(yù)報(bào)員判斷污染過程的起止時(shí)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(bào)結(jié)果。模擬氣象場(chǎng)是數(shù)值預(yù)報(bào)模式的重要前提條件，直接影響預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確度。當(dāng)發(fā)生重污染過程時(shí)，分析判斷重污染的影響范圍程度和結(jié)束時(shí)，主要依賴相應(yīng)時(shí)間段的模擬氣象場(chǎng)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(shí)空分布特征，是數(shù)值預(yù)報(bào)模式重要的輸入數(shù)據(jù)。全面、準(zhǔn)確、高分辨率并動(dòng)態(tài)更新的污染源清單可提高預(yù)報(bào)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(bào)模式的分辨率、還是提高大氣預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確度，或者輸入高分辨率的污染源清單都對(duì)高性能計(jì)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(jì)算集群的計(jì)算速度成為提高空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵點(diǎn)。

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