东京工业大学 - “ASUCA” 日本中尺度天气预报模型

 
 

挑战:


台风、飓风以及龙卷风对受影响的社区可造成极大的破坏,我们现在已经看到了城市热岛效应造成局部暴雨这样的灾难。

根据精确的天气预报来预警这类气象学现象依然是唯一的一种防御方式,因此天气研究人员长期以来一直研究各种能够模拟气象学现象的预测技术。

在数值天气预报中,通过分成网格的方式来为研究对象区域建立模型。 网格尺寸为 10 公里或以下的模型一般称作中尺度模型。 在这种模型中,不再假定重力与大气压力保持纵向平衡,因此你必须还要计算空气的纵向移动。 当地面加热的湿空气升到高空而空气中所含的水分凝结时,便形成了云。 10 公里的网格尺寸不够小,无法描述云的形成,因为积雨云的大小一般约为直径 10 公里。 换言之,你需要 10 公里以下、更加精细的分辨率。 然而,缩小网格尺寸会导致计算量增大,就当前计算速度来说,这会造成很难实施实际预报。

当前的天气预报采用基于 5 公里网格的数值预报。 我们需要使用超级计算机来实现更高的计算性能,提高预报精度。

 

解决方案:



ASUCA 能够预测未来两个、四个以及六个小时的
大气气流

日本气象厅现已开发出一种下一代中尺度天气预测模型,叫做 ASUCA。

与只将图形处理器 (GPU) 用作加速器的其它天气模型不同,东京工业大学的青木尊之 (Takayuki Aoki) 教授以及下川辺隆史 (Takashi Shimokawabe) 先生已经将几乎所有 ASUCA 代码移植到了基于 NVIDIA® CUDA® 并行处理架构的 GPU 上来。 他们采用了一系列创新技术,在整个应用程序中实现了大幅速度提升,将风速、大气压力、湿度以及其它所需的变量分配给显存,而且将通信与计算叠加在一起,从而增强了软件在多 GPU 系统上的执行性能。

东京工业大学自从 2010 年 11 月便开始使用 TSUBAME 2.0 这台超级计算机。 该机采用 4224 颗 NVIDIA® Tesla® M2050 GPU,峰值性能可达 2.4 千万亿次浮点运算/秒。 在 TSUBAME 2.0 上运行移植的 ASUCA 代码可实现极高的性能,足以满足使用 500 米超小尺寸网格来进行数值预报的需求,而这正是日本气象厅未来的目标。 他们使用的数据与气象厅当前天气预报中所用的数据相同。 事实证明,GPU 在实际高性能计算 (HPC) 应用中十分有效,这一点意义重大。

影响:



ASUCA 以五公里 (左) 和五百米 (右) 网格尺寸模拟的云分布图

青木教授的团队仅利用大约 400 颗 GPU 便以 500 米网格完成了全日本范围内的计算,而这一数量仅仅是 TSUBAME 2.0 所配备 GPU 的十分之一。

预测突如其来的局部暴雨、龙卷风以及其它自然灾害一直十分困难。 分辨率更高、速度更快的中尺度天气建模将有助于快速而精确地预测此类灾害,从而能够改善预警质量和拯救生命。