密歇根大學(xué)研究人員使用Frontera超級計算機來改進(jìn)空間天氣預(yù)報系統(tǒng)，避免極端 空間天氣 事件的最壞影響。 上一次重大的空間天氣事件在1859年襲擊了地球，但是破壞度較小的空間天氣事件經(jīng)常發(fā)生。

這些事件會炸毀電子產(chǎn)品和電網(wǎng)，擾亂全球定位系統(tǒng)，導(dǎo)致北極光的范圍發(fā)生變化，并提高宇航員或穿越兩極飛機乘客的輻射風(fēng)險。如果像1859年那樣的極端事件再次發(fā)生，它將完全摧毀電網(wǎng)、衛(wèi)星和通信系統(tǒng)。

在白宮國家空間天氣戰(zhàn)略和行動計劃以及國家戰(zhàn)略計算倡議的推動下，2020年，美國國家科學(xué)基金會(NSF)和美國國家航空航天局創(chuàng)建了空間天氣與量化不確定性(SWQU)計劃。它匯集了來自各學(xué)科的研究團隊，在空間天氣建模領(lǐng)域內(nèi)推進(jìn)最新的統(tǒng)計分析和高性能計算方法。

這個計劃是六個項目的組合，其中包括Gabor Toth的項目，不僅有領(lǐng)先的大學(xué)團體參與，而且還有NASA中心、國防部和能源部國家實驗室，以及私營部門。Gabor Toth幫助開發(fā)了當(dāng)今卓越的空間天氣預(yù)測模型，該模型被美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)用于業(yè)務(wù)預(yù)測。2021年2月3日，NOAA開始使用Geospace模型2.0版，這是密歇根大學(xué)空間天氣建?？蚣艿囊徊糠?，用于預(yù)測地磁干擾。

Geospace模型2.0版主要變化是細(xì)化了磁層的數(shù)值網(wǎng)格，對算法進(jìn)行了若干改進(jìn)，并對經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行了重新校準(zhǔn)。Geospace模型是基于對地球空間環(huán)境的全球表述，其中包括磁流體動力學(xué)，像等離子體這樣的導(dǎo)電流體與磁場相互作用的特性和行為，這在空間天氣的動力學(xué)中起著關(guān)鍵作用。Geospace模型預(yù)測了地球空間與太陽風(fēng)相互作用所產(chǎn)生的地面上磁擾動。這樣的磁擾動會誘發(fā)地電場，從而損害大規(guī)模的電導(dǎo)體，如電網(wǎng)。

該模型發(fā)出的短期預(yù)警為電網(wǎng)運營商提供了關(guān)于有害電流的預(yù)報，并允許它們有時間來緩解問題和維護電網(wǎng)的完整性。盡管Geospace模型很先進(jìn)，但它只提供了大約30分鐘的預(yù)先警告?，F(xiàn)在團隊致力于將提前量增加到1至3天，這樣做意味著了解太陽表面的活動如何導(dǎo)致可能影響地球的事件。

改善空間天氣預(yù)報的提前量需要新的方法和算法，這些方法和算法的計算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過今天使用的方法和算法，并且可以在高性能計算機上有效部署。Gabor Toth使用德克薩斯高級計算中心的Frontera超級計算機來開發(fā)和測試這些新方法。其中，一個關(guān)鍵的算法改進(jìn)涉及在一個模擬模型中結(jié)合等離子體的動力學(xué)和流體細(xì)節(jié)，研究者通過發(fā)明智能近似值和算法，比粗暴的模擬快了一百萬倍，這可以使Geospace模型預(yù)測速度加快10到100倍。

Gabor Toth團隊一直在努力使空間天氣建?？蚣茉谖磥淼某売嬎銠C上高效運行，這些超級計算機嚴(yán)重依賴圖形處理單元(GPU)。作為第一個目標(biāo)，他們著手使用帶有OpenACC指令的英偉達(dá)Fortran編譯器將Geospace模型移植到GPU。他們最近設(shè)法在單個GPU上以更快的速度運行整個Geospace模型。他們使用支持GPU的Longhorn機器來達(dá)到這一里程碑。在傳統(tǒng)的超級計算機上以同樣的速度運行該模型需要至少100個CPU核心。

關(guān)鍵詞： 超級計算機 太空風(fēng)暴 地球 極端天氣