21ic網(wǎng)友雜談:北京時(shí)間11月7日消息，沒(méi)有什么方法能消除天氣威脅，但要對(duì)未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)的天氣威脅作出更好的預(yù)測(cè)卻是有可能的。 在過(guò)去四十年時(shí)間里，美國(guó)科學(xué)家一直都在依靠國(guó)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(lái)作出各種天氣預(yù)測(cè)，比如雷暴雨的強(qiáng)度或是追蹤一場(chǎng)颶風(fēng)等。隨著黃石(Yellowstone)——這是世界上最快的氣候研究超級(jí)計(jì)算機(jī)，被安放在國(guó)家大氣研究中心的懷俄明州超級(jí)計(jì)算中心里——最近的上線，天氣預(yù)測(cè)將會(huì)變得準(zhǔn)確得多。

超級(jí)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(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度能達(dá)到每秒鐘2萬(wàn)萬(wàn)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(wàn)個(gè)數(shù)學(xué)方程式。

按照用途的不同，超級(jí)計(jì)算機(jī)能被用來(lái)解決實(shí)際的商業(yè)問(wèn)題，比如說(shuō)如何包裝薯片等;也能用來(lái)回答更大的科學(xué)問(wèn)題，比如說(shuō)模擬一顆核彈爆炸時(shí)會(huì)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(jí)計(jì)算機(jī)的主要用途是對(duì)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(lái)自于國(guó)家大氣研究中心和美國(guó)海洋暨大氣總署(NOAA)在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)里統(tǒng)計(jì)的地面和天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是對(duì)地球拍攝的“快照”，被存儲(chǔ)在這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)中心里。

隨后，計(jì)算機(jī)模型會(huì)使用數(shù)學(xué)方程式來(lái)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(jí)計(jì)算機(jī)會(huì)將這些問(wèn)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(guò)程中，計(jì)算機(jī)會(huì)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(lái)一個(gè)世紀(jì)甚至是更長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)測(cè)結(jié)果，而其他一些模型則可能只會(huì)求出未來(lái)兩周內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果，后者從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一種非常詳盡的天氣預(yù)測(cè)。

“從某種程度上來(lái)說(shuō)，這就相當(dāng)于是望遠(yuǎn)鏡的數(shù)學(xué)等價(jià)物。”國(guó)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(shuō)道，在推出黃石超級(jí)計(jì)算機(jī)的過(guò)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(shuō)道，而與其類似的是，“與你用紙筆想要計(jì)算出來(lái)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(tái)每秒鐘運(yùn)算速度可達(dá)1500萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這使其躋身全球排名前25的超級(jí)計(jì)算機(jī)之列。與其前任的超級(jí)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(tái)新上線的超級(jí)計(jì)算機(jī)做許多以前做不到的工作，比如說(shuō)檢查海流會(huì)對(duì)雨水分布造成怎樣的影響，或是觀察一場(chǎng)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(shuō)道。

對(duì)于模擬颶風(fēng)中心(也就是“風(fēng)眼”)的研究者來(lái)說(shuō)，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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)建筑物造成最大的破壞。

“不妨想象一下，對(duì)同一事物來(lái)說(shuō)，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(shuō)道。

颶風(fēng)預(yù)測(cè)

桑迪(Sandy)颶風(fēng)及其對(duì)美國(guó)東部海岸廣大地區(qū)造成的重大破壞證明，對(duì)颶風(fēng)作出模型預(yù)測(cè)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(cè)提供一個(gè)極佳的試驗(yàn)臺(tái)。”羅夫特說(shuō)道，其中包括這臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)能更加準(zhǔn)確地追蹤一場(chǎng)颶風(fēng)以及估測(cè)其強(qiáng)度等。

“你需要更高的分辨率來(lái)準(zhǔn)確地判斷(一場(chǎng)颶風(fēng)的)強(qiáng)度，還需要大量的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)預(yù)測(cè)(颶風(fēng))將襲擊哪些地區(qū)。”羅夫特解釋道。黃石超級(jí)計(jì)算機(jī)能運(yùn)行的模型越多，颶風(fēng)未來(lái)將如何發(fā)展的圖像就會(huì)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(shuō)空間天氣、空氣質(zhì)量、含水層和能源生產(chǎn)等，但這臺(tái)超級(jí)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?cè)谟^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(lái)將出現(xiàn)氣候變化。”羅夫特說(shuō)道。

大多數(shù)氣候模型都顯示，未來(lái)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(lái)，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(guó)歷史上氣溫最高的一年。)這種長(zhǎng)遠(yuǎn)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)是很好的，但不能告訴科學(xué)家氣溫變化會(huì)對(duì)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?huì)對(duì)全球降水(或是缺少降水而帶來(lái)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(huì)失去降水，這將對(duì)農(nóng)作物和水供應(yīng)造成影響;而對(duì)有些人來(lái)說(shuō)，降水將會(huì)增多，氣溫會(huì)變得更高，種植季節(jié)變得更長(zhǎng)。

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

“當(dāng)你與政府官員、城市規(guī)劃師、國(guó)家用水委員會(huì)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(wú)法對(duì)這些問(wèn)題作出解答的。”羅夫特說(shuō)道。“對(duì)于大氣科學(xué)中某些非常重要的未完成事務(wù)來(lái)說(shuō)，黃石將會(huì)給我們帶來(lái)答案。”

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

美國(guó)國(guó)家大氣研究中心懷俄明州超級(jí)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(jí)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(tái)超級(jí)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(lái)處理更加先進(jìn)的機(jī)器。

黃石計(jì)算機(jī)的電線長(zhǎng)達(dá)十幾英里。

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

在超級(jí)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(jí)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(jí)計(jì)算機(jī)的成本極高，黃石的建造成本在2500萬(wàn)美元到3500萬(wàn)美元之間。