聚焦云前沿模拟使长期气候预测触手可及

研究团队使用能源部橡树岭国家实验室的1.14exaflopHPECrayEX超级计算机Frontier，在对全球云形成进行3D建模方面达到了创纪录的速度。Frontier是世界上最快的计算机，它的计算能力将数年的工作缩短为数天，从而可以对气候变化和极端天气的长期后果进行详细估计。

“这是气候建模的新黄金标准，”桑迪亚国家实验室的杰出科学家、该研究的主要作者马克·泰勒说。“Frontier独特的计算架构使我们以前无法做到的事情成为可能。”

该研究为该团队赢得了计算机协会戈登贝尔气候建模特别奖的决赛提名。该奖项将于今年在丹佛举行的国际高性能计算、网络、存储和分析会议(SC23)上颁发，该团队将于11月15日公布他们的研究成果。

衡量气候变暖对全球和区域水循环可能产生的影响是气候变化预测的最大挑战之一。科学家需要跨越数十年(至少40年)的气候模型，并包括详细的大气、海洋和冰条件，以做出有用的预测。

但是，能够解决这些元素之间复杂相互作用的3D模型，尤其是云形成背后的搅动、对流运动，其计算成本仍然很高，使得气候长度的模拟甚至超出了最大、最强大的超级计算机的能力范围——到目前为止。

能源亿亿次地球系统模型(E3SM)项目通过将新的软件方法与巨大的亿亿次吞吐量相结合，克服了这些障碍，使气候模拟能够以前所未有的速度和规模运行。简单云解析E3SM大气模型(SCREAM)重点关注云的形成，作为整个项目的一部分。

该研究的合著者和橡树岭国家实验室的萨拉特·斯里帕蒂(SaratSreepathi)表示：“以足够的速度运行公里级模型以促进数十年的预测，是气候建模界长期以来的梦想，现在这已经成为现实。”该项目的绩效协调员。“此类模拟的计算要求足以保证需要百亿亿级超级计算机。没有Frontier，这一切都不会发生。”

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的气候科学家PeterCaldwell和他的团队在过去的五年里从头开始构建了一个新的云模型，目标是在为Frontier和其他顶级超级计算机提供动力的图形处理单元或GPU上运行。

“大多数气候和天气模型都在努力利用GPU，”考德威尔说。“SCREAM作为如何实现这一转变的成功范例引起了其他建模中心的极大兴趣。”

Frontier的制造商HPE通过Frontier所在地橡树岭领先计算设施的Frontier卓越中心协助优化工作。

“SCREAM的性能可移植代码库为我们在Frontier上的早期部署提供了绝佳的优势，并且进一步优化增强了我们的计算性能，”Sreepathi说。“整体努力是气候和计算机科学家之间跨学科合作的一个很好的典范。”

调整代码以在GPU上运行带来了性能的巨大提升。SCREAM可以在Frontier的8,192个节点上运行，在单次24小时运行中模拟一年多的全球云形成(总共1.25年)，这是以前任何机器都无法企及的壮举。

“这意味着这些30或40年的长期模拟现在可以在几周内完成，”Sreepathi说。“这在以前几乎是不可能的。”

3公里分辨率的模拟提供了一定程度的细节，使研究人员能够将结果叠加在卫星图像上进行比较。

“相似之处是惊人的，”泰勒说。“这种分辨率和规模使我们能够预测气候变化对恶劣天气事件、淡水供应和能源生产的影响。”

Sreepathi表示，他期望Frontier和下一代百亿亿次超级计算机能取得更多成功。

他说：“我们希望获得更高的分辨率，并将大气模型与海洋学数据等其他地球系统组成部分结合起来，以获得整体视图。”“得益于我们所做的工作，SCREAM可以跨不同的计算机架构(而不仅仅是Frontier的计算机架构)进行移植，因此我们处于有利位置，不仅可以利用当前的计算机，还可以利用未来的百亿亿次计算机。”

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