在海滩上，海浪发出舒缓的白噪音。但在科学实验室中，它们在天气预报和气候研究中发挥着关键作用。与大气一样，海洋通常是地球系统模型(例如美国的能源模型)中最大且计算要求最高的组成部分之一百亿亿次级地球系统模型，或 E3SM。

大多数现代海洋模型关注两类波浪：正压系统(波浪传播速度快)和斜压系统(波浪传播速度慢)。为了帮助解决同时模拟这两种模式的挑战，来自美国橡树岭、洛斯阿拉莫斯和桑迪亚国家实验室的团队开发了一种新的求解器算法，可减少跨尺度海洋预测模型的总运行时间，或 MPAS-Ocean，E3SM 的海洋环流模型，减少 45%。

研究人员在 ORNL 橡树岭领导计算设施(美国科学办公室用户设施)的 Summit 超级计算机以及太平洋西北国家实验室的 Compy 超级计算机上测试了他们的软件。他们在劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心的 Cori 和 Perlmutter 超级计算机上进行了初步模拟，并发布了结果发表于国际高性能计算应用杂志。

因为Trilinos是一个开源软件数据库，非常适合在超级计算机上解决科学问题，是用 C++ 编程语言和 Earth 编写的像 E3SM 这样的系统模型通常是用 Fortran 编写的，团队利用 ForTrilinos(一个将 Fortran 接口合并到现有 C++ 包中的相关软件库)来设计和定制新的求解器，该求解器专注于正压波。

“这个接口的一个有用的功能是我们可以在 Fortran 语言中使用 C++ 包的每个组件，因此我们不需要翻译任何东西，这非常方便，”主要作者、橡树岭国家实验室计算地球系统科学家 Hyun Kang 说道。

这项工作建立在之前发表的研究成果的基础上地球系统建模进展杂志< /span>论文，来自 ORNL 和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员手工编写了一个代码来改进 MPAS-Ocean。

现在，支持 ForTrilinos 的求解器克服了先前研究中求解器的剩余缺点，特别是当用户针对给定问题大小使用少量计算核心运行 MPAS-Ocean 时。

MPAS-Ocean 的默认求解器依赖于显式子循环，这是一种使用许多小时间间隔或时间步长的技术，结合斜压计算来计算正压波的特征，而不会破坏模型的稳定性。

如果斜压波和正压波可以分别以 300 秒和 15 秒的时间步长推进，则正压计算将需要完成 20 次以上的迭代才能保持相同的速度，这需要大量的计算能力。

相比之下，正压系统的新求解器是半隐式的，这意味着它是无条件稳定的，因此允许研究人员使用相同数量的大时间步长而不牺牲精度，从而节省大量时间和计算能力。

软件开发人员社区花费数年时间优化 Trilinos 和 Fortrilinos 的各种气候应用程序，因此利用此资源的最新 MPAS-Ocean 求解器的性能优于手工制作的求解器，从而使其他科学家能够加速他们的工作气候研究努力。

“如果我们必须单独编码每个算法，则需要更多的努力和专业知识，”他说。康说。 “但是有了这个软件，我们可以通过将优化的算法合并到我们的程序中，以更快的速度立即运行模拟。”

尽管当前的求解器在高性能计算系统上仍然存在可扩展性限制，但在一定数量的处理器上它的性能非常好。存在这一缺点是因为半隐式方法要求所有处理器每个时间步至少相互通信 10 次，这会降低模型的性能。为了克服这一障碍，研究人员目前正在优化处理器通信并将求解器移植到 GPU。

此外，该团队还更新了斜压系统的时间步进方法，以进一步提高 MPAS-Ocean 的效率。通过这些进步，研究人员的目标是使气候预测更快、更可靠、更准确，这是确保气候安全、实现及时决策和高分辨率预测的重要升级。

“这种正压模式求解器能够实现更快的计算和更稳定的模型集成，尤其是 MPAS-Ocean，”康说。 “计算资源的广泛使用需要大量的电力和能源，但通过加速该模型，我们可以减少能源使用，改进模拟，并更轻松地预测未来几十年甚至数千年气候变化的影响。 ”

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