了解天气,使得NASA高飞

的国家航空和宇宙航行局(NASA)广泛而闻名的太空探索活动。但美国国家航空航天局也有浓厚的兴趣对我们自己的星球。该机构目前31日地球观测系统(EOS)卫星环绕地球,收集数据关于天气、海洋、降水、气候、化学、云、火灾和其他现象发生在地球的表面。美国宇航局的科学家们全球建模和同化办公室(GMAO)位于戈达德太空飞行中心,来自马里兰州格林贝尔特的任务是最大化的使用观察,NASA和其他国家和国际机构获得。

“我们提供尽可能多的了解我们的工作气氛和地球系统作为一个整体,通过使用这些观察和计算机建模和预测,”比尔Putman博士解释说,GMAO研究员。

飞行员、研究者、卫星工程师,气候学家,气象学家和其他人利用这些信息。

GMAO研究

例如,每六个小时,五百万年收集的观察从不同的EOS气象卫星,气象气球和传感器部署在陆地上,在飞机、船舶和海洋浮标到世界各地。这些数据通过一个应用程序运行在GMAO戈达德地球观测系统(GEOS)模型进行短期(一周)天气预测在全球范围内12公里²(4.6米²)决议。

地球的面积是510072000公里²(196939900。2米²)。产生全球模拟12公里²决议,GEOS模型将地球表面划分为42506000个网格细胞。对于每个单元格,模型包括温度,湿度,风速和压力测量,加上估计云过程核爆和非绝热加热发生在一个更小的规模和必须是参数化的。在这六个小时的时间里,这些测量和估计是持续集成所需要的计算模型中天气时间表。其他的研究可以运行模拟与1.5公里²(。6米²)决议。预测天气和气候在这些尺度建模需要大量的计算能力。

Putman博士和其他GMAO开发代码和应用程序用于分析各种数据和生成信息。一旦被证实,编码成为NASA和其他地方其他消费品的产品。这些产品包括:

• 上面提到的短程数值天气预报像飞机和卫星任务的支持活动。
• 远程,季节性预测(数周甚至数月),通常与其他机构合作,如国家海洋和大气管理局(NOAA)。
• 其他大型协作努力与国家和国际组织。
• Re-analyses非常长期的(几年到几十年)气候和大气条件。

GMAO还提供了计算的研究和开发,往往导致新数据产品或先进的生产系统。

“我们支持美国国家航空航天局实地考察活动博士说:“核。“例如,有很多最近强调气溶胶和云的交互。NASA资助的飞机任务观察各种这样的现象。我们为他们提供了预测支持飞行路径和其他输入,他们正在寻找特定的气象现象。”

另一个例子是轨道碳观测卫星2号(“轨道碳观测者2号”)。“轨道碳观测者2号”措施在2014年推出全球大气碳从空间。在它的发展,从2012年开始,Putman博士的研究小组进行了7公里²(2.7米²)全球模拟了大气气溶胶和化学品,包括一氧化碳(CO)和二氧化碳(有限公司₂)。GMAO“轨道碳观测者2号”项目开发人员使用的数据进一步细化项目计划和实现测量地球大气中碳。“轨道碳观测者2号”卫星继续提供数据到今天的美国国家航空航天局和科学界。的OCO-3设备于2019年5月4日,并将扩大我们对公司的理解₂在地球大气层。

Putman博士根据天气预报时间尺度气溶胶产生影响超出标准。季节性预测能力和气候预测能力,与气溶胶和云的相互作用和辐射明显重要。但也有短期大气预测出来的GMAO与“轨道碳观测者2号”的工作项目。

博士解释说,“从模拟核,“我们跑短模拟,包括一个完整的化学反应。不仅仅是气溶胶的运输和气态物种,我们看完整的交互大气中超过200种化学物质,如表面臭氧浓度。研究是一个前兆的生产组合预测产品五天的空气质量预测今天提供。”

除了短期、长期、和现场支持,GMAO科学家提供模拟在很长时间内,称为re-analyses。

“再分析是我们所有的活动的合并。它最大化的使用观察系统,集成观测和建模提供一个基线气候在几十年。”

科学家观察在过去的30年或以上集成仿真系统的数据生成一个同期大气的记录。这会产生GMAO称之为“气候质量”有关研究趋势和使用作为当期的基线。许多气候预测组织将使用美国国家航空航天局re-analyses作为基线预测。

“只有少数中心在世界各地,”Putman博士说,“生产这些类型的高质量的re-analyses。他们变得非常著名的数据集和有用的服务在全国和世界。”

这些快照从40天模拟在8月1日开始,2016年展示GEOS模型中的对流云团的表示。这里显示模拟红外亮度温度分辨率从200到3千米(公里)与4公里分辨率观测数据(右下)。(由威廉Putman可视化,NASA戈达德太空飞行中心,由美国国家航空航天局)。

天气和气候的超级计算机

支持的水平计算,GMAO需求,美国国家航空航天局气候模拟中心(国立)在计算机和信息科学和技术办公室(CISTO)超级计算集群部署大能力。他们当前的系统,称为发现进化,是一个多年的扩展系统来适应GMAO(和其他部门的)计算的要求。

到目前为止,发现已由15个独立的系统称为可伸缩的计算单元(并);6并正在运行。设计精细,高保真大气和海洋模拟,跨度从天几十年,几百年,这取决于应用程序(天气预报、大气和气候建模,整体预测,等。)。

”发现支持GMAO,戈达德太空研究所(GISS),多个领域的活动,和其他美国宇航局科学研究,”Dan达菲说CISTO首席。“每年我们升级集群的一部分。“这些系统由不同的供应商提供,如IBM、戴尔和SGI(现在HPE)的一部分。

根据达菲,发现并被分组到几个岛屿基于他们的互连技术,如InfiniBand 100 Gbps, InfiniBand 50 Gbps,英特尔Omni-Path架构100 Gbps。今年,SCU15,建造的阿斯彭系统,已经添加,使吗发现超过129000的核和峰值容量近6.8次。SCU15由160年美国超微双专业服务器6148黄金英特尔至强处理器互连英特尔Omni-Path架构。今天的42506000年全球短期预测模型与网格细胞计算GMAO不可能做过发现。

更好的技术意味着更大的洞察力

“计算技术的进步让我们从50公里范围²网格间距20年前与一个每天天气预报今天的12公里²间距与预测每六个小时,”Putman博士评论说。“我们从一个三维变分资料同化系统从观察四维系统传播的信息更持续超过六小时同化窗口。”

“他们也能够运行预测和模型分辨率的10倍,”达菲说。“使用一个地位并拥有超过30000的核心,他们跑全球预测为1.5公里²分辨率最高的全球大气模拟运行的美国模式。”

Putman博士说,每个新集群提供新功能不仅运行更好的决议,但与他们的模型试验,了解他们可以提高他们的生产产品。例如,非常好的1.5公里²研究模型转化为一个更长期的预测能力有3公里²网格间距现在作为研究产品。他们正在开发人工智能(AI)算法,可以使他们最昂贵的模拟,如长期化学相互作用的模拟,更高效地运行。

“我们也会提供更高分辨率的过程仪表的利益团队和卫星合作工作对未来设计,“Putman博士补充说。“通过提供一个全面的模拟在说3公里在很长一段时间,他们可以做观测系统模拟实验。他们可以治疗我们的模拟,好像现实,这些模拟样本使用各种工具来计划他们的未来观察任务,我们可以提供他们的观察和分析这些观察会产生什么样的影响在未来预测系统。”

美国宇航局GMAO是一个关键因素和大气科学。科学家如Putman博士提供NASA和更广泛的社区的气候学家和气象学家与丰富的工具和更高质量的信息达到更深的了解我们的星球的日常天气和健康。带来更多的计算能力的超级计算机发现、真命天子的继续进化模型和更先进的预测产品,GMAO可以进一步他们的任务来支持美国宇航局正在进行的工作——在全球。

找到更多关于戈达德太空飞行中心https://www.nasa.gov/goddard;了解GMAOhttps://gmao.gsfc.nasa.gov/;和阅读发现集群https://www.nccs.nasa.gov/systems/discover。

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