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欧洲建立地球“数字孪生体” 彻底变革气候预测

2021-03-12

图注:在 1 公里分辨率下,欧洲气候模式(左)与现实(右)几乎无法区分。

欧盟正在敲定一个雄心勃勃的地球“数字孪生体”计划——“目标地球”(Destination Earth)计划,该计划将以无与伦比的精度模拟大气、海洋、冰层和陆地,从而提前数天乃至数年提供洪水、干旱和火灾预报。不仅如此,它还将尝试捕捉人类行为,使决策者能够看到天气事件和气候变化对社会的影响,并评估不同气候政策的影响。据悉,“目标地球”计划将于明年开始实施,届时将运行在芬兰、意大利和西班牙部署的三台超级计算机中的一台。

“目标地球”计划源于“极端地球”(Extreme Earth)计划,“极端地球”计划是由欧洲中期天气预报中心(ECMWF)牵头的一项耗资 10 亿欧元的旗舰研究计划。欧盟最终取消了该旗舰计划,但保留了对这一计划的兴趣。由于担心欧洲在超级计算方面落后于中国、日本和美国,促成了欧洲高性能计算联合会(European High-Performance Computing Joint)的建立,这是一笔 80 亿欧元的投资,旨在为最终实现每秒 10 亿次运算的“亿亿级”(exascale)超级计算机打下基础。休眠的“极端地球”计划为这种能力提供了完美的应用。ECMWF 研究副主任 Peter Bauer 说:“这为数字基础设施注入了灵魂。”他负责协调“极端地球”计划,并一直就新计划向欧盟提供建议。

传统气候模式的分辨率为 50 100 公里;甚至像欧洲 ECMWF 的“欧洲”模式这样的顶级模式,其分辨率也只能达到 9 公里。新模式的 1 公里分辨率将使它能够直接呈现对流。“我称它为气候模拟的第三个维度,”马克斯-普朗克气象研究所气候学家 Bjorn Stevens 说。该模式还将对海洋进行精细模拟,以捕捉漩涡的行为。

日本 1 公里全球气候模式的开创性运行表明,直接模拟风暴和涡流可以更好地预报短期降雨。但同时,1公里全球气候模式也应该可以改进月度和年际气候预测。最近的研究表明,气候模式无法捕捉导致区域温度和降雨波动的风型变化,这可能是因为模式无法重现风暴和涡流导致的。

高分辨率也将使“目标地球”计划能够基于更详细的数据进行预测。天气模式使用卫星、气象站、飞机和浮标的温度和气压观测数据来指导模拟。但是粗网格意味着这些模式无法使用那些不能很好平均化和覆盖区域较窄的测量数据。法国皮埃尔-西蒙·拉普拉斯研究所(IPSL)的云科学家 Sandrine Bony 说:“‘目标地球’将弥合这一差距。”“被解析的比例尺度更接近观测的比例尺度。”

西班牙巴塞罗那超级计算中心的地球系统科学家 Francisco Doblas-Reyes 说,该模式还将结合实时数据,记录大气污染、作物生长、森林火灾以及其他已知影响天气和气候的现象。

“目标地球”计划的目标是让决策者能够直接衡量气候变化对社会的影响,以及社会如何改变气候变化的轨迹。例如,新模式可以预测气候变化将如何影响巴西的农业和移民模式,以及削减乙醇补贴将如何影响亚马逊地区的森林砍伐。目前,气候学家从全球气候模式中提取区域结果,并将其传递给农业学家或经济学家,以了解对人类行为的影响。红十字会与红新月气候中心的气候灾害学家 Erin Coughlan de Perez 说:“现在建模者正逐渐从预报天气状况转向预报天气及其影响。”

要实现该计划并非易事。Exascale 超级计算机依赖于传统的计算机芯片和图形处理单元(GPU),它们在处理密集计算方面非常有效。GPU 适用于并行运行模式组件和训练人工智能算法——“目标地球”将依靠这两种技术来提高性能。但旧的气候模式代码将不得不重新编写。ECMWF 正好在这方面占有先机:ECMWF 正在调整它的预报模式以适应基于 GPU 的计算环境,并于去年在美国超级计算机 Summit 上以 1 公里分辨率对模式的调整情况进行了 4 个月的模拟测试。

除欧洲外,美国也正在朝着建立 exascale 级气候模式的方向前进。马克斯-普朗克气象研究所气候学家 Bjorn Stevens 说,参与一个真正的行星级信息系统令人振奋,该信息系统不仅可以揭示天气和气候中众所周知的蝴蝶效应,还可以揭示局地人类活动如何在全球范围内造成影响。“这就是全球化的故事。这就是人类世的故事。这是一个科学平台,可让您探索这些问题。”

 

(转载自中国气象局图书馆)

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