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桑迪过后:走进黄石气候研究超级计算机
2012-11-07 08:50:44   编辑:朝晖   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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没有什么方法能消除天气威胁,但要对未来可能会出现的天气威胁作出更好的预测却是有可能的。

在过去四十年时间里,美国科学家一直都在依靠国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research)及其复杂的计算机模型来作出各种天气预测,比如雷暴雨的强度或是追踪一场飓风等。随着黄石(Yellowstone)——这是世界上最快的气候研究超级计算机,被安放在国家大气研究中心的怀俄明州超级计算中心里——最近的上线,天气预测将会变得准确得多

超级计算机是什么?那是一种非常强大的计算机,能以不可思议的速度进行运算。世界上最快的超级计算机的运算速度能达到每秒钟2万万亿次,相当于全球70亿人在每秒钟的时间里每人解出300万个数学方程式

按照用途的不同,超级计算机能被用来解决实际的商业问题,比如说如何包装薯片等;也能用来回答更大的科学问题,比如说模拟一颗核弹爆炸时会发生什么事情,又或是理解气候是如何变化的等。

黄石超级计算机的主要用途是对实体系统进行数值模拟,比如大气和海洋等。在一次模拟中,首先需要设定一整套初始条件——其中具有代表性的条件是来自于国家大气研究中心和美国海洋暨大气总署(NOAA)在过去半个世纪里统计的地面和天气观测数据。所有这些数据从本质上来说就是对地球拍摄的“快照”,被存储在这台超级计算机的数据中心里。

随后,计算机模型会使用数学方程式来在时间上向前推进这种“快照”,这些方程式由研究者提供,描述的是大气和湿度在地球的系统中循环的方式。黄石超级计算机会将这些问题分解为很小的“碎片”,然后在数千个处理器之间运行;在这一过程中,计算机会判定随着时间的推移,那些方程式将如何改变初始条件。

有些模型将求出未来一个世纪甚至是更长时间的预测结果,而其他一些模型则可能只会求出未来两周内的预测结果,后者从本质上来说就是一种非常详尽的天气预测。

“从某种程度上来说,这就相当于是望远镜的数学等价物。”国家大气研究中心计算机实验室的技术开发研究负责人里奇·罗夫特(Rich Loft)说道,在推出黄石超级计算机的过程中,他起到了关键性的作用。“与肉眼相比,望远镜能让你看得更远。”罗夫特说道,而与其类似的是,“与你用纸笔想要计算出来的结果相比,计算机能允许你看到远为深广的数学结果。”

黄石的计算能力

石是一台每秒钟运算速度可达1500万亿次的超级计算机,这使其跻身全球排名前25的超级计算机之列。与其前任的超级计算机蓝火(Bluefire)相比,黄石的运算能力要强大30倍左右。这就意味着,研究者能利用这台新上线的超级计算机做许多以前做不到的工作,比如说检查海流会对雨水分布造成怎样的影响,或是观察一场雷暴雨中的旋转区域如何创造出一个龙卷风等。

“这就好像是你的照相机的像素提高了10倍左右。由于分辨率更高的缘故,你就能看到更加鲜明的图片,让你知道地球的系统中正在发生什么事情。”罗夫特说道。

对于模拟飓风中心(也就是“风眼”)的研究者来说,这意味着他们可以构建更加逼真的、清晰度更好的风眼墙(在风眼处,风相对平静一些,但是风眼边缘,却是风暴强度最高的地方,此即为“风眼墙”。风眼墙在风眼周围的区域,包围着风眼呈圆桶状,为飓风“风眼”四周的环状云区域,这里的风最快最强,内部对流非常强烈,亦是热带气旋风力最强的地方)及其阵风的图像——在通常情况下,风眼墙会对建筑物造成最大的破坏。

“不妨想象一下,对同一事物来说,一张分辨率非常低的图像和另一张分辨率高得多的图像,后者肯定能让你更好地了解自己正在看的东西。”罗夫特说道。

飓风预测

桑迪(Sandy)飓风及其对美国东部海岸广大地区造成的重大破坏证明,对飓风作出模型预测是十分重要的,能起到保护生命、预防财产损失以及改善预警时间的作用。“(黄石)将为改善飓风预测提供一个极佳的试验台。”罗夫特说道,其中包括这台超级计算机能更加准确地追踪一场飓风以及估测其强度等。

“你需要更高的分辨率来准确地判断(一场飓风的)强度,还需要大量的统计信息来预测(飓风)将袭击哪些地区。”罗夫特解释道。黄石超级计算机能运行的模型越多,飓风未来将如何发展的图像就会变得越加清晰。

更好地理解气候变化

虽然黄石的设计目的是研究一系列的地球科学主题,比如说空间天气、空气质量、含水层和能源生产等,但这台超级计算机大约一半的工作负载是集中在气候建模上。“有关气候的事情是我们在观察与计算机模型理论之间建立了非常好的一致性的事情,这些模型表明未来将出现气候变化。”罗夫特说道。

大多数气候模型都显示,未来气温将有所上升,具体上升多少则要视有多少二氧化碳被释放到大气中而定。(自1880年开始记录气温数据以来,10个气温最高的年头中有9个都在2000年以后,而2012年上半年是美国历史上气温最高的一年。)这种长远趋势的预测是很好的,但不能告诉科学家气温变化会对系统内的能量重新分配造成怎样的影响,罗夫特解释道;而这是很重要的一件事情,因为会对全球降水(或是缺少降水而带来的干旱天气)造成影响。在气候变化的情况下,有些地方很可能会失去降水,这将对农作物和水供应造成影响;而对有些人来说,降水将会增多,气温会变得更高,种植季节变得更长。

一台更加强大的计算机能回答这些问题。黄石不仅能允许研究者预测未来一个世纪内天气是否会变得更暖,而且还能预见未来十年或是二十年的情况,对某一给定地区的未来天气状况将会变成什么样子作出更加接近于事实的预测

“当你与政府官员、城市规划师、国家用水委员会或是保险公司交谈时,他们想要知道的是地区水平的具体信息,而利用粗糙的模型是无法对这些问题作出解答的。”罗夫特说道。“对于大气科学中某些非常重要的未完成事务来说,黄石将会给我们带来答案。”

想要制造一台能在如此之高的水平上进行工作的超级计算机需要从事大量的工作,下面让我们来走近黄石,看看它的样子吧。

桑迪过后:走进黄石气候研究超级计算机

美国国家大气研究中心怀俄明州超级计算中心,位于怀俄明州的夏延(Cheyenne),于2012年10月15日正式启用。

桑迪过后:走进黄石气候研究超级计算机

黄石拥有100个互相连通的机柜,其并行处理器总数为74592个。

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并行处理的意思是,超级计算机以最高速度运行时每个处理器同时进行计算。

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黄石是全球运行速度最快的25台超级计算机之一。

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这个建筑物的建造目的是轻松提高电源数量,从而能在未来处理更加先进的机器。

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黄石计算机的电线长达十几英里。

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这个超级计算中心的部分电力供应来自于风力发电,这是为了抵消运行黄石超级计算机所需要的庞大能量以及用来冷却的水资源。

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在超级计算室的地板下面是一个10英尺(约合3米)高的设施空间,容纳着电力供应和冷却系统。

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黄石超级计算机100个机柜中一些机柜的鱼眼视图。

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建造超级计算机的成本极高,黄石的建造成本在2500万美元到3500万美元之间。

via 腾讯科技

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