21ic網(wǎng)友雜談:北京時(shí)間11月7日消息，沒有什么方法能消除天氣威脅，但要對未來可能會出現(xiàn)的天氣威脅作出更好的預(yù)測卻是有可能的。 在過去四十年時(shí)間里，美國科學(xué)家一直都在依靠國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)及其復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模型來作出各種天氣預(yù)測，比如雷暴雨的強(qiáng)度或是追蹤一場颶風(fēng)等。隨著黃石(Yellowstone)——這是世界上最快的氣候研究超級計(jì)算機(jī)，被安放在國家大氣研究中心的懷俄明州超級計(jì)算中心里——最近的上線，天氣預(yù)測將會變得準(zhǔn)確得多。

超級計(jì)算機(jī)是什么?那是一種非常強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，能以不可思議的速度進(jìn)行運(yùn)算。世界上最快的超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度能達(dá)到每秒鐘2萬萬億次，相當(dāng)于全球70億人在每秒鐘的時(shí)間里每人解出300萬個(gè)數(shù)學(xué)方程式。

按照用途的不同，超級計(jì)算機(jī)能被用來解決實(shí)際的商業(yè)問題，比如說如何包裝薯片等;也能用來回答更大的科學(xué)問題，比如說模擬一顆核彈爆炸時(shí)會發(fā)生什么事情，又或是理解氣候是如何變化的等。

黃石超級計(jì)算機(jī)的主要用途是對實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，比如大氣和海洋等。在一次模擬中，首先需要設(shè)定一整套初始條件——其中具有代表性的條件是來自于國家大氣研究中心和美國海洋暨大氣總署(NOAA)在過去半個(gè)世紀(jì)里統(tǒng)計(jì)的地面和天氣觀測數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)從本質(zhì)上來說就是對地球拍攝的“快照”，被存儲在這臺超級計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)中心里。

隨后，計(jì)算機(jī)模型會使用數(shù)學(xué)方程式來在時(shí)間上向前推進(jìn)這種“快照”，這些方程式由研究者提供，描述的是大氣和濕度在地球的系統(tǒng)中循環(huán)的方式。黃石超級計(jì)算機(jī)會將這些問題分解為很小的“碎片”，然后在數(shù)千個(gè)處理器之間運(yùn)行;在這一過程中，計(jì)算機(jī)會判定隨著時(shí)間的推移，那些方程式將如何改變初始條件。

有些模型將求出未來一個(gè)世紀(jì)甚至是更長時(shí)間的預(yù)測結(jié)果，而其他一些模型則可能只會求出未來兩周內(nèi)的預(yù)測結(jié)果，后者從本質(zhì)上來說就是一種非常詳盡的天氣預(yù)測。

“從某種程度上來說，這就相當(dāng)于是望遠(yuǎn)鏡的數(shù)學(xué)等價(jià)物。”國家大氣研究中心計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)開發(fā)研究負(fù)責(zé)人里奇·羅夫特(Rich Loft)說道，在推出黃石超級計(jì)算機(jī)的過程中，他起到了關(guān)鍵性的作用。“與肉眼相比，望遠(yuǎn)鏡能讓你看得更遠(yuǎn)。”羅夫特說道，而與其類似的是，“與你用紙筆想要計(jì)算出來的結(jié)果相比，計(jì)算機(jī)能允許你看到遠(yuǎn)為深廣的數(shù)學(xué)結(jié)果。”

黃石的計(jì)算能力

黃石是一臺每秒鐘運(yùn)算速度可達(dá)1500萬億次的超級計(jì)算機(jī)，這使其躋身全球排名前25的超級計(jì)算機(jī)之列。與其前任的超級計(jì)算機(jī)藍(lán)火(Bluefire)相比，黃石的運(yùn)算能力要強(qiáng)大30倍左右。這就意味著，研究者能利用這臺新上線的超級計(jì)算機(jī)做許多以前做不到的工作，比如說檢查海流會對雨水分布造成怎樣的影響，或是觀察一場雷暴雨中的旋轉(zhuǎn)區(qū)域如何創(chuàng)造出一個(gè)龍卷風(fēng)等。

“這就好像是你的照相機(jī)的像素提高了10倍左右。由于分辨率更高的緣故，你就能看到更加鮮明的圖片，讓你知道地球的系統(tǒng)中正在發(fā)生什么事情。”羅夫特說道。

對于模擬颶風(fēng)中心(也就是“風(fēng)眼”)的研究者來說，這意味著他們可以構(gòu)建更加逼真的、清晰度更好的風(fēng)眼墻(在風(fēng)眼處，風(fēng)相對平靜一些，但是風(fēng)眼邊緣，卻是風(fēng)暴強(qiáng)度最高的地方，此即為“風(fēng)眼墻”。風(fēng)眼墻在風(fēng)眼周圍的區(qū)域，包圍著風(fēng)眼呈圓桶狀，為颶風(fēng)“風(fēng)眼”四周的環(huán)狀云區(qū)域，這里的風(fēng)最快最強(qiáng)，內(nèi)部對流非常強(qiáng)烈，亦是熱帶氣旋風(fēng)力最強(qiáng)的地方)及其陣風(fēng)的圖像——在通常情況下，風(fēng)眼墻會對建筑物造成最大的破壞。

“不妨想象一下，對同一事物來說，一張分辨率非常低的圖像和另一張分辨率高得多的圖像，后者肯定能讓你更好地了解自己正在看的東西。”羅夫特說道。

颶風(fēng)預(yù)測

桑迪(Sandy)颶風(fēng)及其對美國東部海岸廣大地區(qū)造成的重大破壞證明，對颶風(fēng)作出模型預(yù)測是十分重要的，能起到保護(hù)生命、預(yù)防財(cái)產(chǎn)損失以及改善預(yù)警時(shí)間的作用。“(黃石)將為改善颶風(fēng)預(yù)測提供一個(gè)極佳的試驗(yàn)臺。”羅夫特說道，其中包括這臺超級計(jì)算機(jī)能更加準(zhǔn)確地追蹤一場颶風(fēng)以及估測其強(qiáng)度等。

“你需要更高的分辨率來準(zhǔn)確地判斷(一場颶風(fēng)的)強(qiáng)度，還需要大量的統(tǒng)計(jì)信息來預(yù)測(颶風(fēng))將襲擊哪些地區(qū)。”羅夫特解釋道。黃石超級計(jì)算機(jī)能運(yùn)行的模型越多，颶風(fēng)未來將如何發(fā)展的圖像就會變得越加清晰。

更好地理解氣候變化

雖然黃石的設(shè)計(jì)目的是研究一系列的地球科學(xué)主題，比如說空間天氣、空氣質(zhì)量、含水層和能源生產(chǎn)等，但這臺超級計(jì)算機(jī)大約一半的工作負(fù)載是集中在氣候建模上。“有關(guān)氣候的事情是我們在觀察與計(jì)算機(jī)模型理論之間建立了非常好的一致性的事情，這些模型表明未來將出現(xiàn)氣候變化。”羅夫特說道。

大多數(shù)氣候模型都顯示，未來氣溫將有所上升，具體上升多少則要視有多少二氧化碳被釋放到大氣中而定。(自1880年開始記錄氣溫?cái)?shù)據(jù)以來，10個(gè)氣溫最高的年頭中有9個(gè)都在2000年以后，而2012年上半年是美國歷史上氣溫最高的一年。)這種長遠(yuǎn)趨勢的預(yù)測是很好的，但不能告訴科學(xué)家氣溫變化會對系統(tǒng)內(nèi)的能量重新分配造成怎樣的影響，羅夫特解釋道;而這是很重要的一件事情，因?yàn)闀θ蚪邓?或是缺少降水而帶來的干旱天氣)造成影響。在氣候變化的情況下，有些地方很可能會失去降水，這將對農(nóng)作物和水供應(yīng)造成影響;而對有些人來說，降水將會增多，氣溫會變得更高，種植季節(jié)變得更長。

一臺更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)能回答這些問題。黃石不僅能允許研究者預(yù)測未來一個(gè)世紀(jì)內(nèi)天氣是否會變得更暖，而且還能預(yù)見未來十年或是二十年的情況，對某一給定地區(qū)的未來天氣狀況將會變成什么樣子作出更加接近于事實(shí)的預(yù)測。

“當(dāng)你與政府官員、城市規(guī)劃師、國家用水委員會或是保險(xiǎn)公司交談時(shí)，他們想要知道的是地區(qū)水平的具體信息，而利用粗糙的模型是無法對這些問題作出解答的。”羅夫特說道。“對于大氣科學(xué)中某些非常重要的未完成事務(wù)來說，黃石將會給我們帶來答案。”

想要制造一臺能在如此之高的水平上進(jìn)行工作的超級計(jì)算機(jī)需要從事大量的工作，下面讓我們來走近黃石，看看它是如何誕生的吧。

美國國家大氣研究中心懷俄明州超級計(jì)算中心，位于懷俄明州的夏延(Cheyenne)，于2012年10月15日正式啟用。

黃石擁有100個(gè)互相連通的機(jī)柜，其并行處理器總數(shù)為74592個(gè)。

并行處理的意思是，超級計(jì)算機(jī)以最高速度運(yùn)行時(shí)每個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

黃石是全球運(yùn)行速度最快的25臺超級計(jì)算機(jī)之一。

這個(gè)建筑物的建造目的是輕松提高電源數(shù)量，從而能在未來處理更加先進(jìn)的機(jī)器。

黃石計(jì)算機(jī)的電線長達(dá)十幾英里。

這個(gè)超級計(jì)算中心的部分電力供應(yīng)來自于風(fēng)力發(fā)電，這是為了抵消運(yùn)行黃石超級計(jì)算機(jī)所需要的龐大能量以及用來冷卻的水資源。

在超級計(jì)算室的地板下面是一個(gè)10英尺(約合3米)高的設(shè)施空間，容納著電力供應(yīng)和冷卻系統(tǒng)。

黃石超級計(jì)算機(jī)100個(gè)機(jī)柜中一些機(jī)柜的魚眼視圖。

建造超級計(jì)算機(jī)的成本極高，黃石的建造成本在2500萬美元到3500萬美元之間。