“地球数值模拟装置”原型机如何先知先觉

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  【IT168 资讯】今日是农历节气“白露”。《孝纬经》中云:“白露”至,“阴气渐重,露凝而白”,从此后凉意渐浓,夏秋完成交替。

  有人戏称,这个夏天的所有记忆中最多的就是暴跌、暴雨和爆炸。如今,爆炸的浓烟已经散去,暴跌则让许多股民唉声叹气,而暴雨,也把许多美丽的地方变成了灾区。

  一叶落而知天下秋,如今已经到秋天,可是不管落多少片叶子,我们都不知道暴雨会不会收起它的“暴脾气”。

  “地球数值模拟装置”原型机之未雨绸缪:预测自然灾害

  关注暴雨,绝不仅仅是因为暴雨关乎类似“大阅兵”等重大事件会不会受天气影响。更重要的是,暴雨的“暴脾气”会带来一系列的地质灾害:洪涝、泥石流、山体滑坡……尽管气象部门根据短时降雨量将暴雨天气划分成蓝、黄、橙、红色4个预警信号,但是,目前的天气预报也只停留在区域性的雨量预测,尚不能精准地预测暴雨到底会在哪些地方衍生出哪些地质灾害。

  还好,我们即将掌握“科学算雨法”——

  前不久,由中国科学院大气物理研究所牵头,联合曙光信息产业(北京)有限公司 、中科院计算技术研究所、中科院计算机网络信息中心共同打造的“‘地球系统数值模拟装置’预研及原型系统建设” 项目已经有了眉目,我国新一代短期气候预测装置——“地球数值模拟装置”原型机即将面世。

  届时,“地球数值模拟装置”原型机将借助中科院大气所长期发展、积累的“CAS地球系统模式”,在对包括暴雨、台风在内的短期气候、自然灾害等的预测中小试牛刀。

  “地球数值模拟装置”原型机之势在必行:摸清暴雨的“脾气”

  实际上,“暴雨-滑坡泥石流是怎样产生的?该怎样预报?”一直是地球系统科学研究中重大科学问题之一。

  我国作为一个多暴雨国家,一到夏半年,除西北个别省区外,几乎各省都有暴雨出现。历时长、面积广、雨量大的暴雨往往给我国一些地区造成严重的自然灾害,除引发山洪暴发、山体滑坡、泥石流等威胁人民群众生命安全的地质灾害之外,暴雨还可能会导致工程失事、堤防溃决和农作物被淹等重大经济损失。数据显示,每年因滑坡泥石流等灾害死亡人数占各类自然灾害死亡人数25%左右;滑坡泥石流等灾害造成的直接经济损失占地质灾害的80%以上。

  因此,摸清暴雨的“脾气”、对潜在的自然灾害的准确预测攸关重大。

  以高性能计算机系统和地球系统模式为基础的“地球数值模拟装置”原型机的建立,使得准确预测极端天气和气候事件的发生变得可能。

  “地球数值模拟装置”原型机之独占鳌头 :克服两大挑战

  建立起一套有成效的灾害预测预警系统至少需要克服两大挑战。一方面,天气变化包含了许多空间尺度的过程,这需要多学科的前沿知识、多种技术的协作;另一方面,这套系统需要有一个有效运作的平台,这个平台不仅需要快速的网络通讯及海量存储设备,还需要有强大的计算能力和性能优异的天气和泥石流预报等模型。

  大气所、曙光公司等单位预研成功的“地球数值模拟装置”原型机就是这种装置,虽然它只有计划装置规模的1/10,但它已经为应对上述两大挑战做了充分准备。

  中国科学院大气物理研究所在气候系统模式上具有30多年的设计研发经验,在生态、气溶胶和生物地球化学模式具有10余年的设计研发经验,是目前国内具备最完善的模式设计和开发能力的机构。除地球系统模式外,地球系统模拟器还集成了区域高精度大气污染模拟系统,以探索对大气灰霾的追因和治理。

  硬件方面,曙光公司提供了面向地球科学的专用型高性能计算机,总计算能力超过1PFlops(1千万亿次)。HPC采用分区式机群构建,包括通用计算分区、耦合计算分区、分布存储分区三个部分,各分区之间采用基于InfiniBand的3D-Torus网络及胖树网络互连,各子系统模式通过通量耦合器实现它们之间的完整耦合,以实现多因素的综合分析,从而降低灾害预测的系统误差。

  从原理上看,“地球数值模拟装置”原型机好比是新时代的“钦天监”:它会仔细地观测自然并记录历史数据,并对这些观测数据进行挖掘和分析,然后从物理、化学和生物学的规律出发,建立起有关地球过程的各个定量关系,进而建立概念模式和数学模型。如果这些模型和模式得到多次验证,地球系统模拟器就能借以实现对未来的气候变化趋势进行预测和预报。

  由此看来,无论是掌握极端天气和气候事件的自然规律,还是认清人类活动在过去几十年中对自然有什么样的影响,抑或预测它们在未来的变化,数值模拟都是目前回答这些问题的最优手段。

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