百亿亿次超级计算促进气候研究发展.PDFVIP

高性能计算应用 43 百亿亿次超级计算促进气候研究发展  刘莎莎[译]上海超级计算中心 上海201203 引言： 2003年，NERSC中心美国能源部的超级计算系统具有7万亿次/秒运算能力；2009年， ORNL实验室的超级计算机计算能力已经提升到3千万亿次/秒。到2018年，能源部的超级计算 机将达到百亿亿次/秒计算水平。跨越16年，计算能力数以百万倍的增加将不断推动宇宙学， 生物学，医学和纳米科学的发展。超级计算机可以提供大量的气候数据库，高分辨率气候模型 以及对复杂气候的快速模拟，这些将促进气象科学研究的发展。对于世界范围内的气候危机(观 测到的气候危机远高于近期IPCC评估的最坏预案)，百亿亿次计算能力将确定更有效的气候模 型，提高气象预测准确度。这意味着所有人都可以问“如果气候恶化，将会怎样？”并获得具 有科学依据的答案。 从工业革命以来，人类活动向大气中排放大 于饮用，洗漱，农牧和产生电能的淡水吗？仅在喜马 量温室气体，主要包括从石油燃料产生的二氧化碳 拉雅山脉，冰川向河流提供的淡水支撑着世界三分之 和从农牧业产生的氮氧化物和甲烷。因此，联合国 一人口约24亿人的生活需求。根据IPCC的第四评估报 政府间气候变化专门委员会前副主席Al Gore（获得 告AR4显示，喜马拉雅冰川在2035年将明显缩减。在 2007年诺贝尔奖）预测本世纪地球的平均气温将上 中国，印度，巴基斯坦，孟加拉，缅甸和尼泊尔可能 升1-6摄氏度(2-12华氏度)。自从蒸汽机发明以后， 接连发生洪水和干旱。气候变化导致的饥荒，疾病， 大气中二氧化碳含量已经升高了30%，这一现象导致 迁移和战争可能改变人们的生活。用超级计算机研究 全球范围内的冰川融化，海平面升高和不断加剧的 解决方案可以帮助决策者降低风险的发生，例如，做 热浪，洪水和干旱的侵袭。 一些力所能及事情(减少温室气体排放)减缓气候进一 超级计算机将帮助决策者研究相应的计划和措 步变暖。同时，采取有效措施应对目前气候变化的冲 施。在一些气象研究领域中，高性能计算(HPC)系统 击，如不断增强的热浪侵袭(图1)。 是至关重要的。科学家把数学模型融入气象研究从 而反映地球的过去，现在并探索她的未来。先进科 学计算研究(ASCR)计划开发利用计算机和网络工具 使科学家对重要的气候现象制作模型，模拟，分析 和预测。ASCR设立了使美国科学计算能力增加百万 倍的目标，从2004年万亿次/秒(teraflop/s，万亿次次 浮点操作或计算每秒)到2008年千万亿次/秒(petaflop/ 15 s，10浮点操作每秒)，2011年达到万万亿次/秒， 2015年十万万亿次/秒，在2018年达到百亿亿次/秒 18 (exaflop/s，10浮点操作每秒)。百亿亿次计算将产生 世界最大的气候数据库，提供高分辨率模型。该模 型可以提高预测技巧，增加科学潜能，扩展研究者 的探索方案(见文尾“气象研究合作影响美国超级计 算投资”P24)。 如果全球变暖使冰川融化，将给地球提供更多用 图1 人口和气候结合的模拟帮助缓解人道主义危机。 44 《高性能计算发展与应用》 2012年第二期 总第三十九期 ORNL的全球人口计划帮助数以千计的专家协调疾病响 预计在2014年，科学家使用该数据库发表文章将被 应，人道主义援助，可持续发展和环境保护等问题。 AR5报告引用。该数据库将包括来自OLCF和Argonne 为了进一步评价不同地区对气候变化的影响，DOE的 的数据，还包括 高性能计算程序为超级计算机(如ORNL的Jaguar和