密歇根大學研究人員使用Frontera超級計算機來改進空間天氣預報系統(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。它匯集了來自各學科的研究團隊，在空間天氣建模領(lǐng)域內(nèi)推進最新的統(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)了當今卓越的空間天氣預測模型，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，這是密歇根大學空間天氣建模框架的一部分，用于預測地磁干擾。

Geospace模型2.0版主要變化是細化了磁層的數(shù)值網(wǎng)格，對算法進行了若干改進，并對經(jīng)驗參數(shù)進行了重新校準。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，像等離子體這樣的導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中起著關(guān)鍵作用。Geospace模型預測了地球空間與太陽風相互作用所產(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)模的電導體，如電網(wǎng)。

該模型發(fā)出的短期預警為電網(wǎng)運營商提供了關(guān)于有害電流的預報，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，但它只提供了大約30分鐘的預先警告。現(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致可能影響地球的事件。

改善空間天氣預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遠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)鍵的算法改進涉及在一個模擬模型中結(jié)合等離子體的動力學和流體細節(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模型預測速度加快10到100倍。

Gabor Toth團隊一直在努力使空間天氣建模框架在未來的超級計算機上高效運行，這些超級計算機嚴重依賴圖形處理單元(GPU)。作為第一個目標，他們著手使用帶有OpenACC指令的英偉達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 太空風暴 地球 極端天氣