在海灘上，海浪提供了舒緩的白噪音。但在科學實驗室中，海浪在天氣預報和氣候研究中扮演關鍵角色。與大氣層一樣，海洋通常是地球系統模型（如美國能源部的能源超大規模地球系統模型，簡稱E3SM）中體積最大、計算要求最高的組成部分之一。

圖中描述的是MPAS-Ocean 模擬的洋面洋流。資料來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室、E3SM、美國能源部

MPAS-Ocean模型的新求解器演算法透過縮短計算時間和提高精確度，大大加強了氣候研究。這項突破整合了Fortran 和C++ 編程，在高效可靠的氣候建模方面向前邁出了一步。

海洋建模的突破

大多數現代海洋模型都專注於兩類波浪：波浪傳播速度較快的向氣壓系統和波浪傳播速度較慢的向氣壓系統。為了幫助解決同時模擬這兩種模式的難題，來自能源部橡樹嶺國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和桑迪亞國家實驗室的一個團隊開發了一種新的求解器演算法，將E3SM的海洋環流模式”跨尺度海洋預報模式”（MPAS-Ocean）的總運行時間縮短了45%。

研究人員在美國國家實驗室橡樹嶺領導計算設施（ORNL’s Oak Ridge Leadership Computing Facility）的Summit 超級電腦（能源部科學辦公室的用戶設施）和太平洋西北國家實驗室的Compy 超級電腦上測試了他們的軟體。他們在勞倫斯伯克利國家實驗室國家能源研究科學計算中心的Cori 和Perlmutter 超級電腦上進行了主要模擬，其結果發表在《高效能運算應用國際期刊》上。

氣候建模運算的創新

Trilinos是一個開源軟體資料庫，非常適合在超級電腦上解決科學問題，它是用C++程式語言編寫的，而像E3SM這樣的地球系統模型通常是用Fortran語言編寫的，因此研究小組利用ForTrilinos（一個將Fortran介面納入現有C++軟體套件的相關軟體庫）來設計和客製化新的求解器，該求解器的重點是氣壓波。

“這個介面的一個有用功能是，我們可以在Fortran語言中使用C++軟體包的每個元件，因此我們不需要翻譯任何東西，這非常方便，”領銜作者、ORNL計算地球系統科學家Hyun Kang說。

MPAS-Ocean的改進

ORNL和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員在《地球系統建模進展期刊》（Journal of Advances in Modeling Earth Systems）上發表了一篇論文，對MPAS-Ocean進行了改進。現在，支援ForTrilinos的求解器已經克服了先前研究中求解器的其餘缺點，尤其是當使用者使用少量運算核心來運行MPAS-Ocean以解決給定問題時。

MPAS-Ocean的預設解算器依賴於顯式子卷積（explicit subcyling）技術，該技術使用許多小的時間間隔或時間步長，在不破壞模型穩定的情況下，計算各向氣流波的特性，同時進行斜壓模分解計算。如果以300 秒和15 秒的時間步長分別推進一個巴羅克線性波和一個向氣性波，向氣性計算需要完成20 倍的迭代才能保持同樣的速度，這需要大量的運算能力。

相較之下，新的各向壓系統求解器是半隱式的，這意味著它是無條件穩定的，因此研究人員可以在不犧牲精度的情況下使用相同數量的大時間步長，從而節省大量時間和運算能力。

一個軟體開發人員社群花費數年時間優化了Trilinos和Fortrilinos中的各種氣候應用，因此利用這項資源的最新MPAS-Ocean求解器的性能優於手工製作的求解器，使其他科學家能夠加快他們的氣候研究工作。

Kang說：”如果我們必須對每種演算法進行單獨編碼，那將需要更多的精力和專業知識。但有了這款軟體，我們可以透過將最佳化演算法納入程序，以更快的速度立即運行模擬。”

未來的改進和影響

儘管目前的求解器在高效能運算系統上仍有可擴充性的限制，但在處理器數量達到一定程度時，它的效能還是非常出色的。之所以有這種缺點，是因為半隱式方法要求所有處理器在每個時間步至少相互通訊10 次，這會降低模型的效能。為了克服這一障礙，研究人員目前正在優化處理器通信，並將求解器移植到GPU 上。

此外，研究團隊也更新了斜壓模分解演算法的時間步進方法，以進一步提高MPAS-Ocean 的效率。透過這些進展，研究人員的目標是使氣候預測更快、更可靠、更準確，這是確保氣候安全、實現及時決策和高解析度預測的重要升級。

“這種氣壓模式求解器能夠加快運算速度，更穩定地整合各種模式，尤其是MPAS-Ocean，」Kang 說。”廣泛使用運算資源需要大量的電力和能源，但透過加快這一模型的速度，我們可以減少能源消耗，改進模擬，並更輕鬆地預測未來幾十年甚至上千年的氣候變遷影響。”

參考文獻：Hyun-Gyu Kang、Raymond S Tuminaro、Andrey Prokopenko、Seth R Johnson、Andrew G Salinger 和Katherine J Evans 所著《使用現代Fortran 求解器介面的MPAS-ocean 隱式氣壓模式求解器》，2023 年11月17 日，《高效能運算應用國際期刊》。

doi: 10.1177/10943420231205601

編譯來源：ScitechDaily