气象领域联想算力应用研究报告

目录前言.........................................................................................................................................................3一、数值天气预报................................................................................................................................4（一）数值天气预报介绍.................................................................................................................4（二）数值天气预报模式分类.........................................................................................................4（三）数值天气预报现状与发展趋势.............................................................................................5（四）数值天气预报计算模式与高性能计算.................................................................................6二、数值海洋预报................................................................................................................................9（一）数值海洋预报介绍...........................................................................................................9（二）数值海洋预报模式分类..................................................................................................9（三）数值海洋预报现状与发展趋势..................................................................................10（四）数值海洋预报与高性能计算....................................................................................11三、环境空气质量预报.....................................................................................................................13（一）空气质量预报介绍...............................................................................................................13（二）空气质量预报的模式分类..............................................................................................14（三）空气质量预报现状与发展趋势..................................................................................15（四）空气质量预报与高性能计算..........................................................................................16四、联想在气象领域的算力平台和优化...................................................................................17（一）联想天气和气候HPC架构...........................................................................................171、联想天气和气候HPC架构.....................................................................................................172、联想万全异构智算平台HPC软件实现管理.........................................................................213.联想DSS-G高性能存储系统提高效率...................................................................................21（二）数值天气预报模式优化.......................................................................................................221、MPI并行计算的I/O优化.......................................................................................................222、GPU并行计算与硬件架构优化.............................................................................................23五、联想超算在气象行业应用案例...................................................................................................24（一）国内案例...............................................................................................................................24（二）全球案例...............................................................................................................................26 前言 气象海洋天气预报和环境研究是高性能计算传统应用领域。1950年，由气象学家朱尔.查尼、数学家约翰.冯.诺依曼和拉尔夫.皮奥特领导的团队在ENIAC上进行了世界上第一次成功的数值天气预报计算。尽管ENIAC的预报效果非常粗糙且不及时，但从科学史的角度看，其效果是革命性的和成功的。它首次证明了利用物理定律和数学方程，通过计算机求解来预测天气是可能的。这为整个现代数值天气预报奠定了理论和实践基础，验证了数值天气预报的可行性，预测出了大尺度天气形势的演变，是气象学历史的转折点。 随着计算机的发展，数值天气预报技术也快速发展，成为天气预报的最主要方法，大幅提高预报的准确率、时效性，对农业、水利、海洋开发、电力、航空、防雷、旅游、交通、环境保护、国防等相关行业的发展产生了积极作用。高性能计算集群技术的快速发展更进一步推动了数值天气预报、数值海洋预报、数值空气质量预报的产生与发展，它们作为一类重要的社会公共产品，促进了各个行业的发展，极大的促进了社会进步，也是新质生产力的重要组成部分。 近几年人工智能技术与强大算力的深度融合，正以前所未有的方式重塑着气象、海洋与空气质量预报的精准度。在气象领域，AI模型能够从海量历史数据中学习复杂的非线性天气演变规律，极大提升了中短期天气预报的精度，并对极端天气事件进行更早预警。算力则支撑起更高分辨率的数值模型与复杂的AI算法训练，实现全球到局部地区的精细化模拟。在海洋预报方面，结合卫星遥感与监测数据，AI可高效预测海浪、潮汐、洋流及温度变化，为航运、渔业和防灾提供关键支持。对于空气质量，AI能精准追踪污染源、模拟污染物扩散路径，并量化不同排放源的贡献，使得区域性的污染预报和溯源变得可能。本质上，超算平台提供的强大算力是训练和运行庞大AI模型的基石，而AI则作为加速器和优化器，让传统数值预报向着更精准、更快速、更细致的方向飞跃。 一、数值天气预报 （一）数值天气预报介绍 天气，即天气现象，包含温度、湿度、气压、风力、云雾、雷电、降雨、降雪，对人们的生产生活具有重大的影响，如降温容易导致凤寒等疾病、降雨容易产生洪涝灾害、干旱影响农作物的生长、雷电雨雪影响交通等。 数值天气预报是指根据大气的物理和运动特性，在一定的初值和边值条件下，通过计算机进行数值计算、求解描写流体演变过程的流体力学和热力学的控制方程组预测未来一定时间内的流体运动状态和大气现象的方法。数值天气预报一般通过计算机完成，我们把进行数值天气预报的一系列程序、方法、过程、工具的集合称为数值天气预报模式，简称数值模式。经过半个多世纪的发展，科学家们研制出了各种各样的数值模式，极大的提高了数值天气预报的准确率、时效性，提高了天气预报的实用性。 （二）数值天气预报模式分类 数值天气预报的模式可以从预报区域、网格分辨率、预报时间、控制方程性质等维度进行划分，不同的应用模式有不同的控制方程解法。 根据预报区域的不同，可以将数值天气预报模式分为全球模式和有限区域模式，全球模式的预报区域为整个地球，有限区域模式的预报区域为地球的一部分。根据网格分辨率的不同，天气预报模式可分为大尺度模式、中尺度模式、小尺度模式和微尺度模式。根据预报时间的不同，可以将天气预报模式分为长期预报模式、中期预报模式和短时预报模式，长期预报模式的预报时间大于7天，中期预报模式的时间为1-7天，短时预报模式的预报时间小于1天。根据控制方程性质的不同，可以将天气预报模式分为静力模式、非静力模式、正压模式、斜压模式、可压缩模式、非可压缩模式，根据控制方程离散方法的不同，可分为谱模式、有限差分模式、有限元模式、有限体积模式等。根据应用领域的不同，不同模式可以选择不同的坐标系，对原始方程进行相应的变换，生成模式对应的控制方程。关于控制方程数值解法，谱方法主要用于全球 模式，在有限区域模式中很少用到。有限差分法在全球模式、区域模式中都得到了应用。有限元法、有限体积法在全球模式中应用较多，区域模式中也有一定的应用。 数值模式工作流程一般可分为前处理、主模式和后处理三个过程。前处理进行资料的传输、下载、数据同化等；主模式是整个系统的主要部分，完成控制方程的求解，计算大气中各个因素的未来变化；后处理主要是指概率预报、数据可视化、图形化产品生成等。具体来讲，前处理进行初始场、边界条件、雷达、卫星、气象站观测等资料的传输、下载、数据同化及数据格式转换；主模式包括控制方程的数值表