一個仿真度極高的地球數(shù)字模型，用來預(yù)測未來可能發(fā)生的各種氣候變化

雖然天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的日常，但是這一技術(shù)的精確性依然很有限。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在1998-2017年期間，因?yàn)闅夂驗(yàn)?zāi)害導(dǎo)致全球超過100萬人死亡和數(shù)萬億美元的經(jīng)濟(jì)損失。為此，歐盟的科學(xué)家們制定了一個雄心勃勃的計(jì)劃，想要把所有可用的數(shù)據(jù)全部包含進(jìn)去，更真實(shí)地模擬各種規(guī)模的天氣過程以及它們在大氣、海洋、陸地表面和生物圈之間的相互作用，以建立一個仿真度極高的地球數(shù)字模型，用來預(yù)測未來可能發(fā)生的各種氣候變化。

歐洲的氣候科學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家發(fā)起了一個被稱為“ Destination Earth”的計(jì)劃，該計(jì)劃將于2021年中期開始，預(yù)計(jì)會持續(xù)十年。在此期間，將建立一個高度精確的地球數(shù)字模型，以便盡可能準(zhǔn)確地在空間和時間內(nèi)繪制氣候發(fā)展和極端天氣事件的地圖。 為了使數(shù)字地球模型更準(zhǔn)確地監(jiān)測動態(tài)變化和預(yù)測未來可能的發(fā)展軌跡，各種觀測數(shù)據(jù)將不斷地被輸入地球數(shù)字模型。但除了常規(guī)用于天氣和氣候模擬的觀測數(shù)據(jù)外，研究人員還希望將有關(guān)人類活動的新數(shù)據(jù)整合到模型中。新的地球系統(tǒng)模型將盡可能真實(shí)地還原地球表面所有發(fā)生過的事情，包括人類對水、食物和能源管理的影響，大型工程、基礎(chǔ)建設(shè)以及其他改變地球面貌的過程。

科學(xué)家們希望這個數(shù)字地球模型像魔法水晶球一樣能給出許多有價值的參考意見。今年發(fā)生在美國德州大范圍的停電事故，就是因?yàn)闆]有預(yù)測到一向比較溫暖的南方也會發(fā)生超低溫和大范圍雨雪天氣，導(dǎo)致大量風(fēng)電設(shè)施停轉(zhuǎn)，輸電設(shè)施損壞。將來新的大型基建項(xiàng)目的建設(shè)，將可以獲得更長時期，比如二十年、三十年內(nèi)，有可能發(fā)生的最極端的天氣狀況的預(yù)測，從而更準(zhǔn)確的計(jì)算工程和設(shè)備所需要的的合理的安全系數(shù)。

20世紀(jì)40年代以來,氣象學(xué)家開創(chuàng)了在超級計(jì)算機(jī)上模擬物理過程的先河，利用電腦求解復(fù)雜的方程以預(yù)測天氣變化成為了現(xiàn)代科技的重要進(jìn)步。然而最近幾十年來，相關(guān)算法從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度看是停滯的。氣候研究的進(jìn)步得益于能夠通過新一代處理器獲得更高的性能，而無需從根本上改變其程序，而這種被動的計(jì)算效率提高在大約十年前就停止了，今天的程序通常只能利用傳統(tǒng)處理器（CPU）最高性能的5%。

適用于地球數(shù)字模型的高效軟件基礎(chǔ)架構(gòu)的概念圖。

“Destination Earth”背后的推動力是歐洲中距離天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF），歐洲航天局（ESA）和歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT），他們重要的合作伙伴是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和瑞士國家超級計(jì)算中心（CSCS）的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們——他們將負(fù)責(zé)為計(jì)劃實(shí)現(xiàn)必要的改進(jìn)，即同時開發(fā)硬件和算法，以解決老舊的計(jì)算模型無法充分發(fā)揮新設(shè)備的計(jì)算潛力的問題。基于靈活控制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算和數(shù)據(jù)感知算法框架可以大大減少計(jì)算和數(shù)據(jù)占用空間，同時人工智能的作用也非常重要，它可以加快模擬速度，從大量數(shù)據(jù)中過濾出最重要的信息，提高計(jì)算效率，有助于更準(zhǔn)確地描述物理過程。 在當(dāng)今和不久的將來可以使用的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，基于圖形處理單元（GPU）的超級計(jì)算機(jī)似乎是最有希望的選擇。研究人員估計(jì)，建立這樣一個數(shù)字地球模型可能需要一個大約兩萬個GPU的系統(tǒng)，估計(jì)耗電20兆瓦。如果一切順利，這項(xiàng)計(jì)劃的投入產(chǎn)出比是相當(dāng)驚人的，假設(shè)新的地球數(shù)字模型可以將氣候?yàn)?zāi)害帶來的損失降低1%，也意味著將有數(shù)百億美元的經(jīng)濟(jì)損失和許多人的生命得以挽回，意義非常重大。

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