了解天气，让NASA飞得更高

的美国国家航空航天局以其太空探索活动而闻名。但美国国家航空航天局也对探索我们自己的星球有着浓厚的兴趣。该机构目前有31颗地球观测系统卫星围绕地球运行，收集有关天气、海洋、降水、气候、化学、云、火和地球表面发生的许多其他现象的数据。NASA的科学家们全球建模与同化办公室(GMAO)，位于戈达德太空飞行中心在马里兰州的格林贝尔特，他们的任务是最大限度地利用NASA和其他国家和国际机构获得的观测数据。

GMAO研究员比尔·普特曼博士解释说:“通过使用这些观测、计算机建模和预测，我们尽可能多地了解大气和地球系统的运作。”

飞行员、研究人员、卫星工程师、气候学家、气象学家等都在利用这些信息。

GMAO研究

例如，每六小时，就从部署在世界各地陆地、飞机、船只和海洋浮标上的各种EOS气象卫星、气象气球和传感器收集500万次观测结果。这些数据通过GMAO中的应用程序集成运行戈达德地球观测系统(GEOS)模型可在12公里范围内进行短期(最多一周)的全球天气预测²(4.6米²)决议。

我们星球的表面积是510072000千米²(196939900。2米²)．以12公里为单位进行全球模拟²根据分辨率，GEOS模型将地球表面划分为42,506,000个网格单元。对于每个单元，该模型包括温度、湿度、风速和压力测量，以及对云过程(如上升气流和非绝热加热)的估计，这些过程发生在更小的范围内，必须进行参数化。在这6个小时的时间里，这些测量和估计会不断地整合到所需的计算中，以模拟这段时间内的天气。其他研究可以在1.5公里的范围内进行模拟²（.6米²)决议。在这样的尺度上预测天气和模拟气候需要大量的计算能力。

普特曼博士和GMAO的其他人开发了用于分析各种数据和生成信息的代码和应用程序。一旦得到验证，这些代码就会成为可供NASA和其他地方的其他人消费的产品。这些产品包括:

• 上面提到的短期数值天气预报，以支持飞机和卫星任务等活动。
• 长期的季节性预测(周到月)，通常与其他机构合作，如美国海洋和大气管理局(NOAA)．
• 与国家和国际组织进行的其他大型合作。
• 非常长期(数年至数十年)气候和大气条件的重新分析。

GMAO还提供计算研究和开发，这些研究和开发通常会带来新的数据产品或先进的生产系统。

“我们支持NASA实地活动普特曼博士说。“例如，最近有很多人强调气溶胶和云的相互作用。美国国家航空航天局资助了观测各种此类现象的飞机任务。我们为他们提供了飞行路线和其他气象现象的预测支持。”

另一个例子是轨道碳观测2号(OCO-2)．OCO-2于2014年发射，从太空测量地球周围大气中的碳含量。从2012年开始，在研发过程中，普特曼博士的团队跑了7公里²(2.7米²)对包括一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO)在内的几种大气气溶胶和化学物质的全球模拟₂)．OCO-2项目开发人员使用GMAO的数据来进一步完善他们的项目计划和实施，以测量地球大气中的碳。OCO-2卫星今天继续为NASA和科学界提供数据。的OCO-3该仪器于2019年5月4日发射，将扩大我们对CO的理解₂在地球大气层中。

普特曼博士说，气溶胶的影响超出了标准的天气预报时间范围。对于季节预测能力和气候预测能力而言，与气溶胶、云和辐射的相互作用至关重要。但在GMAO与OCO-2项目的合作中，有一些短期的大气预测。

普特曼博士解释说:“在这个模拟的基础上，我们进行了一个周期较短的模拟，其中包括完整的反应化学。不仅是气溶胶和气体物种的运输，我们还研究了大气中200多种化学物种的全面相互作用，比如表面臭氧浓度。这项研究是今天提供的5天空气质量预报的生产成分预测产品的先驱。”

除了短期、长期和现场支持外，GMAO的科学家还提供很长时间的模拟，称为再分析。

“再分析是我们所有活动的合并。它最大限度地利用了观测系统，整合了观测和建模，为几十年的气候提供了基线。”

科学家们将过去30年或更久的观测数据与数据模拟系统相结合，以产生这段时期的大气记录。这就产生了GMAO所谓的“气候质量”重新分析，用于研究趋势，并用作当前时期的基线。许多气候预测小组将使用NASA的重新分析作为他们预测的基线。

“全世界只有少数几个研究中心，”普特曼博士说，“能够进行这种高质量的再分析。它们成为非常有信誉的数据集，对全国和世界各地的服务非常有用。”

从2016年8月1日开始的40天模拟的这些快照演示了对流云在GEOS模型中的表示。这里显示的是在200到3千米(km)分辨率范围内的模拟红外亮度温度，与4千米分辨率(右下)的观测数据进行了比较。(William Putman可视化，NASA戈达德太空飞行中心，由NASA提供)。

天气和气候的超级计算

为了支持GMAO所需的计算级别，美国宇航局气候模拟中心在计算与信息科学与技术办公室(CISTO)部署大容量超级计算集群。他们现在的系统叫做发现，是几年来扩展系统以适应GMAO(和其他部门)计算需求的演变。

到目前为止，发现由15个独立的系统组成，称为可扩展计算单元(scu);目前有6个scu在运行。它专为精细尺度、高保真的大气和海洋模拟而设计，时间跨度从几天到几十年甚至几百年，具体取决于应用程序(天气预测、大气和气候建模、集合预报等)。

”发现支持GMAO、戈达德空间研究所(GISS)、多个实地活动和其他NASA科学研究，”CISTO负责人Dan Duffy说。“每年我们都会升级集群的一部分。”这些系统由各种供应商提供，如IBM、Dell和SGI(现在是HPE的一部分)。

根据Duffy的说法，Discover的scu根据互连技术分为几个孤岛，比如InfiniBand 100 Gbps、InfiniBand 50 Gbps和Intel全路径架构100 Gbps。今年，SCU15，由阿斯彭系统，已添加，带来了什么发现超过129,000个核心，峰值容量接近6.8千兆次/秒。SCU15包括160台Supermicro Twin Pro服务器，采用Intel Xeon Gold 6148处理器，通过Intel全路径架构互连。今天的全球短期预测模型有42,506,000个网格单元，这是GMAO以前无法完成的计算发现．

更好的技术意味着更深刻的洞察力

“计算技术的进步使我们可以从50公里开始计算²网格距从20年前的每天预报一次天气到今天的12公里²间隔间隔，每六小时做一次预测，”普特曼博士评论道。“我们从三维变分数据同化系统转变为四维系统，在6小时的同化窗口内更一致地传播来自观测的信息。”

达菲补充说:“他们还能够以高达10倍的分辨率运行预测和模型。”“他们使用其中一个拥有3万多个核心的scu，在1.5公里处进行了全球预测²这是当时美国模式运行的分辨率最高的全球大气模拟。”

普特曼博士表示，每个新的集群都提供了新的能力，不仅可以运行更精细的分辨率，还可以对模型进行实验，以了解如何改进生产产品。比如很细的1.5公里²研究模型变成了3公里的更长期预测能力²网格间距现在作为研究产品提供。而且，他们正在开发人工智能(AI)算法，可以使他们最昂贵的模拟，如化学相互作用的长期模拟，更有效地运行。

Putman博士补充说:“我们还受益于为致力于未来设计的仪器团队和卫星合作提供更高分辨率的过程。”“通过在很长一段时间内为他们提供三公里的综合模拟，他们可以进行观测系统模拟实验。他们可以将我们的模拟视为现实，使用各种仪器对这些模拟进行采样，计划未来的观测任务，我们可以分析他们的观测结果，以及这些观测结果可能对未来预测系统产生的影响。”

GMAO是NASA和大气科学的重要贡献者。普特曼博士等科学家为NASA和更广泛的气候学家和气象学家提供了更丰富的工具和更高质量的信息，以更深入地了解我们星球的日常天气和健康状况。随着超级计算机计算能力的不断扩大，比如发现GMAO可以进一步支持NASA在全球范围内正在进行的工作，包括GEOS模型的持续发展和更先进的预测产品。

了解更多关于戈达德太空飞行中心的信息https://www.nasa.gov/goddard；了解GMAOhttps://gmao.gsfc.nasa.gov/；并阅读有关发现集群的信息https://www.nccs.nasa.gov/systems/discover．

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