スーパーコンピュータ「富岳」を利用した史上最大規模の気象計算を実現

スパコン×シミュレーション×データ科学の協働が切り開く未来の気象予報

 

 国立研究開発法人国立環境研究所、国立研究開発法人理化学研究所、富士通株式会社、株式会社メトロ、国立大学法人東京大学の研究グループは、神戸市の理化学研究所計算科学研究センターに設置されたスーパーコンピュータ「富岳」を用いて、水平3.5kmメッシュかつ1024個のアンサンブルという、過去に例を見ないほど大規模な全球気象シミュレーションとデータ同化の複合計算を実現しました。本研究が行った計算の規模は、世界の気象機関が日々行っている気象予測のためのアンサンブルデータ同化計算と比較して、およそ500倍の大きさのものです。この成果は「富岳」の高い総合性能を実証し、最新のスーパーコンピュータとシミュレーションモデル、そしてデータ同化システムが互いに協調しながら開発を進めることによって、今よりも更に大規模な気象予報システムが実現可能であることを指し示しました。これにより、将来の気象予報・気候変動予測の精度向上に繋がることが期待されます。

 本研究は、計算科学において最も栄誉ある賞のひとつであるゴードン・ベル賞のファイナリストに選出され、2020年11月9日から19日の日程でオンライン開催されたスーパーコンピュータの国際学会SC20において内容に関する講演が行われました。ゴードン・ベル賞は国際的な計算機科学の学会であるACMとIEEE Computer Societyが共同で主催し、その年において、高性能並列計算を科学技術分野へ適用することに関してイノベーションの功績が最も顕著な研究に与えられます。

1.研究の背景

 気象情報は日々の我々の生活に欠かせない情報です。毎年のように集中豪雨や台風の被害が国内外で報告されており、それら気象災害から私たちの命と財産を守るために、より精度の高い気象予測が求められています。現在の気象予測は、世界中で毎時刻行われている気象観測の情報と、コンピュータを用いた数値シミュレーション、そして観測データとシミュレーションを数学的な手法を用いて繋ぎ合わせるデータ同化によって支えられています。さらなる気象予測の精度向上のために、観測データの利用効率を上げ、よりメッシュの細かい数値シミュレーションを実行し、より多くのアンサンブル計算を行う必要がありますが、そのどれもがより多くの計算を必要とするため、限られた計算機資源の制約の中で可能な計算が行われてきました。計算だけでなく、シミュレーションが出力するデータサイズも爆発的に大きくなるため、それらのデータの転送を現実的な時間内に終わらせることについても、これまでは限界がありました。

 日本の新たなフラッグシップマシンであるスーパーコンピュータ「富岳」(図1)は、スーパーコンピュータ「京」の後継機として2014年より設計開発が開始され、2020年6月と11月に様々な計算性能を競う世界ランキングの4つの部門で1位を獲得しました。しかし「富岳」が目指してきた真の目標は、単純なベンチマーク性能だけではなく、さまざまな研究分野で実際に使われているプログラムを高速に実行し、「京」と比較して最大100倍のアプリケーション実効性能を実現することです。この目標の達成のために、スーパーコンピュータシステム(スパコン)と科学計算ソフトウェアとの間の協調設計(コデザイン)が進められてきました。スパコンの技術トレンドは目まぐるしく変化しており、新しいスパコンという理由だけではソフトウェアの実行速度は速くならず、遅くなることすらあります。本研究で用いた全球高解像度大気モデルNICAMと局所アンサンブル変換カルマンフィルタLETKFは、コデザインを進めるために選出された代表アプリケーション群の一部です。我々の研究グループはこれらのアプリケーションを題材に、どのようなアルゴリズム、計算最適化を選択すれば、最新のスパコンの性能を引き出すことが可能であるかについて研究開発を行ってきました。

 本研究は、これらのコデザインの成果の集大成として、「富岳」を用いて実行可能な最大規模の、高解像度・大アンサンブルデータ同化実験を実施した結果によるものです。

 ※図は添付の関連資料を参照

 ※以下は添付リリースを参照

 

 

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

https://release.nikkei.co.jp/attach/600457/01_202011201116.JPG

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/600457/02_202011201116.pdf