地球系统模式数值模拟

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1、地球系统模式数值模拟胡勇清华大学计算机系Huyong1109@gmail.com摘要地球系统模式是研究全球变化的重要科学工具，它是基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学物理模型，通过数值模拟来确定地球系统各子系统的性状，加深对全球变化机理的认识，并预测全球和区域气候与生态环境的变化。高性能计算是为解决超大规模而发展起来的计算机技术。地球系统模式的数值模拟是一个超大规模的问题，为了实现这种模拟必须依赖高性能计算技术。本文分别介绍了地球系统模式和高性能计算，并阐述了两者的结合点，即地球系统模式数值模拟。关键字：地球系统模式高性能计算并行计算数值模拟AbstractEarthsys

2、temmodelisanimportantscientificresearchtoolforglobalchange,whichisamathematicalmodeldevelopedfromthedynamics,physical,chemicalandbiologicalprocessesinearthsystem.Throughthenumericalsimulationsofthemodelwecangetthecharacteristicsofeachsubsystemundertheearthsystem,understandthemechanismofglobalchanges

3、moredeeply,andpredictglobalandregionalchangesinclimateandecologicalenvironment.High-performancecomputingisthecomputertechnologydevelopedtosolvelargescaleproblems.NumericalsimulationoftheEarthsystemmodelisaverylargescaleproblem,forwhichhigh-performancecomputingisnecessary.ThispaperintroducedtheEarths

4、ystemmodelandhigh-performancecomputing,anddescribedtheEarthsystemmodelsimulationwherethetwoarecombinedanddevelopedtogether.Keyword:earthsystemmodeling,highperformancecomputing,parallelcomputing,numericalsimulation一、地球系统模式所谓地球系统，是指由岩石圈、水圈、冰冻圈、生物圈、大气圈、近地空间和人类圈等地球各个子系统构成的统一整体系统。地球系统模式[1,2]是研究全球变化的重要科学工

5、具，它是基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学物理模型（包括动力学方程组和参数化方案）来确定其各个部分（大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）的性状，由此构成地球系统的数学物理模型，通过数值模拟来确定地球系统各子系统的性状，加深对全球变化机理的认识，并预测全球和区域气候与生态环境的变化。1.1地球系统模式的发展阶段地球系统模式[3,4]的形成有一个长期的过程，可以主要概括为以下三个阶段：基础阶段（物理气候系统模式）：以地球流体为主体，固体部分只考虑陆面过程，模式只能描述系统的动力过程和物理过程。中间阶段（地球气候系统模式）：在物理气候系统模式的基础上，考虑大气化学过程和地球生

6、物化学过程（陆面生物、海洋生物）。成型阶段（相对完整的地球系统模式）：在地球气候系统模式的基础上，进一步考虑其与固体地球（如地球版块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等）和空间天气的相互作用。下图中给出一个中间阶段的地球系统模式结构图。随着越来越多的地球活动加入到模式中去，模式模拟现实地球活动的能力也越来越强。但是同时也带来了很多挑战。首先，不同的模式加到系统模式中来，一个不可避免的问题就是各个模式如何统一。由于各个模式的分辨率，精度，边界条件各有各的特点，如何兼容还有很多工作要做；另外，模式的扩展导致模式的计算难度急剧加大。这也是为什么地球系统模式的实现必须依赖高性能计算的缘故。1.1地

7、球系统的研究方法地球系统模式的研究涉及到许多方面的科学研究问题，如地球科学，生物化学，测量技术和仪器设备的突破、数学和物理方法的新进展，推动了众多学科从定性描述向定量分析的转变。数学模型和计算机、计算技术的发展，使众多学科不仅可以描述现状，而且也可以描述和预测未来。利用高性能计算机对地球系统模式所对应的数学物理模型进行数值求解,大体包含三个层面地球表面各圈层及其相互作用的模拟（大气、海洋、生态、环