预警厄尔尼诺，“地球数值模拟装置”原型系统担重任

文章来源：《中国科学报》

印度尼西亚丛林燃起创纪录的林火、印度雨季降水的明显减少、埃塞俄比亚和索马里所在的非洲之角地区的洪涝……17年来最强的一次厄尔尼诺现象真的来了。据联合国机构世界气象组织11月16日播报，今年以来，热带地区和亚热带地区正在经历的严重干旱和毁灭性洪灾已经佐证了这次厄尔尼诺现象的暴发。并且，这次暴发最近正变得“成熟和强壮”，预计今年年底将更强大。

厄尔尼诺事件来势汹汹，然而人们对它的造访仅限于从历史记录中总结的“规律”：约每2~7年发生一次。这显然太过粗略。因此，如何准确地对厄尔尼诺现象进行预报，成为摆在地球物理科学家面前的当务之急。

厄尔尼诺预报存挑战

事实上，早在去年5月份，世界范围内多个气象预报部门均对2014~2015年的厄尔尼诺事件有了警觉和预测，只是，那时大家对于这次厄尔尼诺事件的强度各执一词。

“对厄尔尼诺的预测，特别是对它的强度预测仍存在需要解决的问题。”郑飞告诉记者，国际上有超过20家专业机构今年6月份对厄尔尼诺区域海温异常进行预测，其中不乏利用超级计算机计算得出的结果，但差异都比较大，其中7家专业机构的预测结果是达到或超1997/98年厄尔尼诺的强度。

“这缘于不同模型之间的差异，这种差异对模型的初值和数据也会产生影响。”郑飞举例说，按照他们的模式10月份得出的最新结果，这次厄尔尼诺事件的峰值强度接近2.5℃左右（中东太平洋某水域海温高出历史平均海温0.5℃并持续6个月以上即视为发生一次厄尔尼诺事件），而欧洲中期天气预报中心得出的结果最高超过4℃。

显然，算法和数据越复杂，对处理和计算它们的计算机要求就越高。目前，郑飞等人的预报模式正是引进了大气风场等数据作为影响因子之一，得出的预报结果水平较高。

不过，郑飞指出，由于人们对影响厄尔尼诺事件的物理机制的认知程度有限，对初始误差和随机过程如何影响厄尔尼诺预报不甚明了，造成目前大部分模式只能够提前6个月给出较为可信的预报。同时对极端事件的强度预报偏弱，导致了目前的厄尔尼诺预报水平并不能满足防灾减灾的需求。

“比如对于我国夏季气候趋势预测而言，就需要提前9~12个月左右提供可信的厄尔尼诺预报结果。因此，如何进一步提高厄尔尼诺预报准确率，并延长厄尔尼诺预报时效，是国际上的研究热点和极具挑战性的问题。”郑飞提出，这要求高性能计算机和预测模型的发展同步。

高性能计算机来配合

谈及刚刚把预报模型“搬家”到新的高性能计算环境，郑飞颇有感触：比起之前所使用的旧机器，在“地球数值模拟装置”原型系统上“跑”一遍模型，原来需要一个多小时的运算，现在只需要20分钟左右就完成了。

“计算效率没得说，这台设备针对地球系统模式进行过优化设计，在计算效率和能耗方面有很大改观。”郑飞告诉记者，为能更准确地提供未来海温的演变趋势和发展强度，他们利用地球数值模拟装置至少每月进行一次滚动预报，以及时更新预报结果。计算效率的提升，为他们省出来大把的工作时间。

“地球数值模拟装置”原型系统是中科院大气物理所联合曙光公司、中科院计算所、网络中心专门针对地球系统模式设计、制造的一台高性能计算机系统。郑飞研究团队所做的厄尔尼诺模型预报是其承担的其中一项任务，它更重要的任务是运转“地球系统模式”，大气、海洋、陆面、植被、生态等的地球过程悉数包括在内，空间尺度覆盖全球，是迄今为止最复杂的超级计算项目之一。

“在地球数值模拟装置这片海里，我们就是一条小鱼，游起来当然自由自在。”郑飞调侃道。不过，他告诉记者，有了地球系统模式的仿真模拟，地球系统过程就可以更接近真实，这也就给预测预报厄尔尼诺现象带来的影响提供了契机。

“厄尔尼诺的预报是一方面，我们更关注的是厄尔尼诺究竟会带来什么影响。对我国来说，我们认为厄尔尼诺的影响一般为来年夏季的旱涝灾害，但对冬天气候的影响如何，夏季旱涝随厄尔尼诺事件发生的阶段如何变化、强度到什么程度，甚至是否还有其他未报道的影响，这些都是我们希望借助大系统做出来的。”郑飞说，有了相匹配的高性能计算机的配合，上述问题都有希望得到解决。