“山雨欲來”,看“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)如何先知先覺

責(zé)任編輯:editor005

2015-09-09 14:18:00

摘自:TechTarget中國

屆時,“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)將借助中科院大氣所長期發(fā)展、積累的“CAS地球系統(tǒng)模式”,在對包括暴雨、臺風(fēng)在內(nèi)的短期氣候、自然災(zāi)害等的預(yù)測中小試牛刀。

今日是農(nóng)歷節(jié)氣“白露”?!缎⒕暯?jīng)》中云:“白露”至,“陰氣漸重,露凝而白”,從此后涼意漸濃,夏秋完成交替。

有人戲稱,這個夏天的所有記憶中最多的就是暴跌、暴雨和爆炸。如今,爆炸的濃煙已經(jīng)散去,暴跌則讓許多股民唉聲嘆氣,而暴雨,也把許多美麗的地方變成了災(zāi)區(qū)。

一葉落而知天下秋,如今已經(jīng)到秋天,可是不管落多少片葉子,我們都不知道暴雨會不會收起它的“暴脾氣”。

“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)之未雨綢繆:預(yù)測自然災(zāi)害

關(guān)注暴雨,絕不僅僅是因?yàn)楸┯觋P(guān)乎類似“大閱兵”等重大事件會不會受天氣影響。更重要的是,暴雨的“暴脾氣”會帶來一系列的地質(zhì)災(zāi)害:洪澇、泥石流、山體滑坡……盡管氣象部門根據(jù)短時降雨量將暴雨天氣劃分成藍(lán)、黃、橙、紅色4個預(yù)警信號,但是,目前的天氣預(yù)報也只停留在區(qū)域性的雨量預(yù)測,尚不能精準(zhǔn)地預(yù)測暴雨到底會在哪些地方衍生出哪些地質(zhì)災(zāi)害。

還好,我們即將掌握“科學(xué)算雨法”——

前不久,由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭,聯(lián)合曙光信息產(chǎn)業(yè)(北京)有限公司 、中科院計算技術(shù)研究所、中科院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心共同打造的“‘地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置’預(yù)研及原型系統(tǒng)建設(shè)” 項目已經(jīng)有了眉目,我國新一代短期氣候預(yù)測裝置——“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)即將面世。

屆時,“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)將借助中科院大氣所長期發(fā)展、積累的“CAS地球系統(tǒng)模式”,在對包括暴雨、臺風(fēng)在內(nèi)的短期氣候、自然災(zāi)害等的預(yù)測中小試牛刀。

“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)之勢在必行:摸清暴雨的“脾氣”

實(shí)際上,“暴雨-滑坡泥石流是怎樣產(chǎn)生的?該怎樣預(yù)報?”一直是地球系統(tǒng)科學(xué)研究中重大科學(xué)問題之一。

我國作為一個多暴雨國家,一到夏半年,除西北個別省區(qū)外,幾乎各省都有暴雨出現(xiàn)。歷時長、面積廣、雨量大的暴雨往往給我國一些地區(qū)造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害,除引發(fā)山洪暴發(fā)、山體滑坡、泥石流等威脅人民群眾生命安全的地質(zhì)災(zāi)害之外,暴雨還可能會導(dǎo)致工程失事、堤防潰決和農(nóng)作物被淹等重大經(jīng)濟(jì)損失。數(shù)據(jù)顯示,每年因滑坡泥石流等災(zāi)害死亡人數(shù)占各類自然災(zāi)害死亡人數(shù)25%左右;滑坡泥石流等災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占地質(zhì)災(zāi)害的80%以上。

因此,摸清暴雨的“脾氣”、對潛在的自然災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測攸關(guān)重大。

以高性能計算機(jī)系統(tǒng)和地球系統(tǒng)模式為基礎(chǔ)的“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)的建立,使得準(zhǔn)確預(yù)測極端天氣和氣候事件的發(fā)生變得可能。

“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)之獨(dú)占鰲頭 :克服兩大挑戰(zhàn)

建立起一套有成效的災(zāi)害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)至少需要克服兩大挑戰(zhàn)。一方面,天氣變化包含了許多空間尺度的過程,這需要多學(xué)科的前沿知識、多種技術(shù)的協(xié)作;另一方面,這套系統(tǒng)需要有一個有效運(yùn)作的平臺,這個平臺不僅需要快速的網(wǎng)絡(luò)通訊及海量存儲設(shè)備,還需要有強(qiáng)大的計算能力和性能優(yōu)異的天氣和泥石流預(yù)報等模型。

大氣所、曙光公司等單位預(yù)研成功的“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)就是這種裝置,雖然它只有計劃裝置規(guī)模的1/10,但它已經(jīng)為應(yīng)對上述兩大挑戰(zhàn)做了充分準(zhǔn)備。

中國科學(xué)院大氣物理研究所在氣候系統(tǒng)模式上具有30多年的設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗(yàn),在生態(tài)、氣溶膠和生物地球化學(xué)模式具有10余年的設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗(yàn),是目前國內(nèi)具備最完善的模式設(shè)計和開發(fā)能力的機(jī)構(gòu)。除地球系統(tǒng)模式外,地球系統(tǒng)模擬器還集成了區(qū)域高精度大氣污染模擬系統(tǒng),以探索對大氣灰霾的追因和治理。

硬件方面,曙光公司提供了面向地球科學(xué)的專用型高性能計算機(jī),總計算能力超過1PFlops(1千萬億次)。HPC采用分區(qū)式機(jī)群構(gòu)建,包括通用計算分區(qū)、耦合計算分區(qū)、分布存儲分區(qū)三個部分,各分區(qū)之間采用基于InfiniBand的3D-Torus網(wǎng)絡(luò)及胖樹網(wǎng)絡(luò)互連,各子系統(tǒng)模式通過通量耦合器實(shí)現(xiàn)它們之間的完整耦合,以實(shí)現(xiàn)多因素的綜合分析,從而降低災(zāi)害預(yù)測的系統(tǒng)誤差。

從原理上看,“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)好比是新時代的“欽天監(jiān)”:它會仔細(xì)地觀測自然并記錄歷史數(shù)據(jù),并對這些觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析,然后從物理、化學(xué)和生物學(xué)的規(guī)律出發(fā),建立起有關(guān)地球過程的各個定量關(guān)系,進(jìn)而建立概念模式和數(shù)學(xué)模型。如果這些模型和模式得到多次驗(yàn)證,地球系統(tǒng)模擬器就能借以實(shí)現(xiàn)對未來的氣候變化趨勢進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報。

由此看來,無論是掌握極端天氣和氣候事件的自然規(guī)律,還是認(rèn)清人類活動在過去幾十年中對自然有什么樣的影響,抑或預(yù)測它們在未來的變化,數(shù)值模擬都是目前回答這些問題的最優(yōu)手段。

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