海洋模式自诞生以来,便成为了人们研究海洋运动、以及海洋中环境变化的重要手段,已被广泛地应用于各大河口、近岸、以及全球的数值模拟预报系统之中。得益于高性能计算的不断发展和越来越多的科研人员投身于海洋模式研究,海洋模式正朝着高分辨率以及更多物理过程的趋势发展。为了满足日益精细的模拟需求,充分发挥高性能计算平台的硬件优势,研究人员不得不在新的计算平台上研制更高分辨率的海洋模式。而海洋模式复杂的建模工作与超级计算机高速发展的并行计算技术之间形成了巨大的鸿沟,使得模式研究人员深陷“并行沼泽”,无法专注于模式本身的发展。为了解决海洋模式中大规模并行编程和性能调优给模式研究人员带来的挑战,本文提出了一种基于算子形式的高效隐式并行计算框架,将海洋模式的建模与并行性能的优化分离开来,从而提高了模式研究人员在并行环境下的编程效率,使得他们可以专注于模型构建本身,不再拘泥于消息通信、并行优化等技术细节之中。本文的主要贡献包括:(1)对海洋模式中的原始方程以及离散过程进行抽象,提出了使用流场与算子来简化海洋模式中的离散表示形式,使用抽象交错网格封装跳点规则以及格间间距,从而简化了模式中的差分运算。这些基本抽象在理论层面保证了算子库能够向上对用户隐式并行,向下封装底层并行优化细节。(2)设计并开发了一个面向海洋模式的高效并行计算库,通过采用计算流图、延时求解、内核融合、隐式并行、自动代码生成、实时动态编译等技术,保证了模式研究人员能够快速构建隐式并行的海洋模式,并且具有简洁性、高效性以及可移植性等特点。(3)基于算子库实现了简洁高效的区域海洋模式,代码规模仅为原始区域海洋模式的1/3。该模式在通用处理器平台4096核规模下分别实现了91%的强可扩展并行效率以及99%的弱可扩展并行效率,在国产异构众核超级计算机“神威·太湖之光”上也具有优异的可扩展性,在15万核的规模下能够达到85%的并行效率。