全球變暖背景下，干旱、高溫、暴雨等極端天氣帶來的自然災(zāi)害頻發(fā)，如2022年夏季我國南方地區(qū)歷史性高溫干旱事件，23個(gè)省份持續(xù)出現(xiàn)40℃以上高溫，據(jù)麥肯錫預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到 2050 年，由于極端高溫和濕度增加而帶來的勞動(dòng)力損失，將使亞太地區(qū)每年損失4.7萬億美元的GDP，約占全球損失總額的三分之二。因此如何更精確地提前預(yù)測(cè)氣候并采取及時(shí)有效的防范措施，是減少此類自然災(zāi)害的關(guān)鍵手段。

氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為南京信息工程大學(xué)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一，其團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)平臺(tái)，采用自主創(chuàng)新開源操作系統(tǒng)及自主創(chuàng)新的組件部署，配合網(wǎng)頁端展示平臺(tái)可實(shí)時(shí)展示多種氣象要素。同時(shí)也可用于區(qū)域氣候、空氣質(zhì)量模擬等大氣數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)過往極端天氣事件的高精度模擬以及未來可能出現(xiàn)的極端事件的預(yù)報(bào)。

氣象應(yīng)用是高性能計(jì)算的重要領(lǐng)域，算力是影響天氣預(yù)警精確性的重要因素。為更加高效的完成氣象預(yù)測(cè)和科研工作，實(shí)驗(yàn)室對(duì)于承載極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)平臺(tái)的底層基礎(chǔ)設(shè)施算力有著強(qiáng)烈的訴求：

海量數(shù)據(jù)高效處理

氣象預(yù)測(cè)涉及跨時(shí)間和地區(qū)的海量數(shù)據(jù)收集及處理，以長(zhǎng)江中游地區(qū)的一次高溫災(zāi)害事件的模擬為例，涉及的高精度資料約10G。隨著各類氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)精度及頻率的遞增，每年的氣象數(shù)據(jù)已達(dá)到PB量級(jí)，計(jì)算需求量大。

高精度、高性能

隨著氣象預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度越來越高，氣象行業(yè)對(duì)精度及天氣短臨預(yù)報(bào)的時(shí)效性要求也越來越高：預(yù)報(bào)精度從幾百公里、幾十公里到實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)效性由超前一周提升至超前半個(gè)月、一個(gè)月的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)……這些都對(duì)算力提出了更高的要求。

鯤鵬平臺(tái)天生的眾核高并發(fā)、高吞吐能力，能夠更好的滿足上訴需求，同時(shí)提供鯤鵬開發(fā)套件DevKit，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的高效開發(fā)和性能優(yōu)化?；谝陨峡紤]，南京信息工程大學(xué)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)選擇鯤鵬作為「極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)平臺(tái)」的算力支撐，并在鯤鵬上原生開發(fā)部分側(cè)邊界試驗(yàn)?zāi)K。

【極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)圖】

遷移：基于鯤鵬DevKit 2人天快速遷移極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)創(chuàng)新平臺(tái)

在項(xiàng)目實(shí)施初期，開發(fā)人員需要將極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)創(chuàng)新平臺(tái)快速遷移到鯤鵬。由于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，涉及修改代碼行數(shù)1806行，源文件數(shù)293個(gè)，手動(dòng)遷移預(yù)計(jì)需要15人天才能完成。

開發(fā)人員通過鯤鵬DevKit代碼遷移工具對(duì)依賴文件自動(dòng)識(shí)別、兼容JAR包一鍵下載、代碼修改建議一鍵替換，整個(gè)遷移過程縮短至2人天，大大降低了開發(fā)過程中的人力資源成本。

【使用鯤鵬DevKit代碼遷移工具掃描獲取遷移報(bào)告】

開發(fā)&調(diào)優(yōu)：基于鯤鵬DevKit高效開發(fā)部分側(cè)邊界試驗(yàn)?zāi)K，性能提升57.7%

遷移完成之后，為應(yīng)對(duì)極端高溫干旱災(zāi)害的科學(xué)研究等場(chǎng)景需求，開發(fā)團(tuán)隊(duì)需要在鯤鵬平臺(tái)上新開發(fā)部分側(cè)邊界試驗(yàn)?zāi)K，該模塊作為平臺(tái)的核心組件，用于研究季節(jié)內(nèi)振蕩等大氣低頻變化對(duì)于極端事件的影響。

由于原有X86平臺(tái)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和兼容生態(tài)并不能直接復(fù)制到鯤鵬平臺(tái)之上，開發(fā)人員在應(yīng)用開發(fā)過程中也遇到了多重挑戰(zhàn)：

在開發(fā)過程中缺乏鯤鵬優(yōu)勢(shì)能力的實(shí)時(shí)引導(dǎo)，無法充分發(fā)揮鯤鵬的算力；★ 不熟悉鯤鵬兼容生態(tài)，無法快速搭建高性能計(jì)算應(yīng)用編譯環(huán)境，開發(fā)效率低；

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，技術(shù)人員在開發(fā)過程中使用了鯤鵬DevKit提供的鯤鵬開發(fā)框架、高性能計(jì)算SDK、GCC for openEuler和性能分析工具，進(jìn)一步提升應(yīng)用開發(fā)效率及軟件運(yùn)行性能。

首先，技術(shù)人員通過鯤鵬開發(fā)框架插件快速創(chuàng)建高性能計(jì)算場(chǎng)景化工程, 該工具支持啟發(fā)式編程，能夠智能提示近萬條函數(shù)和編譯選項(xiàng)，大大提升了開發(fā)體驗(yàn)，使得開發(fā)者可以專心攻克業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)；

同時(shí)基于鯤鵬高性能計(jì)算SDK一鍵引入Hyper MPI通信庫和鯤鵬數(shù)學(xué)加速庫，有效提升了網(wǎng)絡(luò)加速能力，使能了節(jié)點(diǎn)間高速通信網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)內(nèi)共享內(nèi)存機(jī)制，以及優(yōu)化的集合通信算法，更便捷高效地完成了部分側(cè)邊界試驗(yàn)?zāi)K的應(yīng)用開發(fā)。

為了提升編譯效率，技術(shù)人員在編譯過程中將之前的GNU-GCC更換為GCC for openEuler。GCC for openEuler提供了針對(duì)鯤鵬微架構(gòu)處理器及指令優(yōu)化，通過軟硬協(xié)同相較GNU-GCC提供更強(qiáng)的性能。提升了WRF組件在鯤鵬架構(gòu)上的編譯效率，增強(qiáng)了組件間的耦合關(guān)系，從而使組件的性能得到了很大的提升。

此外，由于試驗(yàn)包括控制試驗(yàn)以及敏感性試驗(yàn)兩部分，計(jì)算量較一般數(shù)值模擬大幅增加，所以對(duì)性能要求極高。

因此技術(shù)人員采用鯤鵬DevKit 高性能計(jì)算場(chǎng)景化分析對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了深度優(yōu)化：通過鯤鵬DevKit 高性能計(jì)算場(chǎng)景化分析創(chuàng)建MPI分析任務(wù)，在進(jìn)行積分操作時(shí)發(fā)現(xiàn)存在積分響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問題，根據(jù)工具的提示，技術(shù)人員快速找到了異常函數(shù)，并對(duì)異常函數(shù)展開了深入分析和優(yōu)化，通過上述一系列的分析與調(diào)優(yōu)，在同等算力下，初始場(chǎng)處理時(shí)間由0.85s降低至0.55s；邊界場(chǎng)處理時(shí)間由0.10s降低至0.07s；積分一步響應(yīng)時(shí)間由0.33s降低至0.19s；結(jié)果輸出的時(shí)間由2.01s降低至0.85s，最終極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)創(chuàng)新平臺(tái)在鯤鵬平臺(tái)上的運(yùn)行性能整體提升了57%。

【使用鯤鵬DevKit開發(fā)工具優(yōu)化前后性能對(duì)比圖】

上述性能的提升極大的增強(qiáng)了平臺(tái)數(shù)值天氣模擬計(jì)算能力，提升了數(shù)值氣象預(yù)報(bào)計(jì)算效率，優(yōu)化了極端天氣模擬預(yù)報(bào)速度，大幅降低了計(jì)算成本；也為廣大公眾、各行各業(yè)提供更加精細(xì)化、專業(yè)化、多元化的服務(wù)，服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)文明建設(shè)，保障生命安全、生產(chǎn)發(fā)展，助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

南京信息工程大學(xué)作為國內(nèi)氣象學(xué)科的佼佼者，在氣象數(shù)值模擬、氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域建樹豐富，本次基于鯤鵬平臺(tái)開發(fā)的「極端高溫干旱天氣模擬與預(yù)測(cè)平臺(tái)」方案也在鯤鵬應(yīng)用創(chuàng)新大賽2022全國總決賽中獲得銅獎(jiǎng)，江蘇賽區(qū)二等獎(jiǎng)。

未來，南京信息工程大學(xué)也將持續(xù)致力于氣象科學(xué)的發(fā)展，逐步提升氣象預(yù)測(cè)平臺(tái)對(duì)干旱天氣預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性，未來可結(jié)合各氣象部門及各大學(xué)、研究所等，孵化出更多的智慧氣象應(yīng)用，進(jìn)一步降低高溫干旱復(fù)合災(zāi)害在世界各地對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國民經(jīng)濟(jì)造成的影響。

作為鯤鵬計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)重要伙伴，南京信息工程大學(xué)已與江蘇鯤鵬·昇騰生態(tài)創(chuàng)新中心建立長(zhǎng)期合作關(guān)系。未來，鯤鵬將持續(xù)通過最新的技術(shù)使能伙伴聯(lián)合創(chuàng)新，打造更具競(jìng)爭(zhēng)力及創(chuàng)新力的行業(yè)解決方案，促進(jìn)千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

南京信息工程大學(xué)作為國家“雙一流”建設(shè)高校，高度重視科技創(chuàng)新引領(lǐng)，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)（含課題專項(xiàng)）百余項(xiàng)?！皻庀鬄?zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”作為國家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科培育點(diǎn)之一，重點(diǎn)圍繞氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)警及影響評(píng)估等方向開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究，以提高天氣氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和氣候變化影響評(píng)估水平，為國家防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)支撐。