高山地区和西北欧的暴雨、冰雹和洪水：过去几周突出了强雷暴的影响。但是极端天气事件与全球变暖究竟有什么关系呢?这是研究人员研究和模拟天气与气候之间相互作用的核心问题之一。
通过表示潜在的基本物理过程，模型是理解这些相互作用的非常强大的工具。但是当前的模型和所需的计算机基础设施已经达到了极限，限制了研究人员得出关于气候变化如何影响极端天气等结论的程度。为了解决这个问题，苏黎世联邦理工学院与合作伙伴合作发起了 EXCLAIM 研究计划。该项目旨在显着提高模型的空间分辨率，从而提高它们在未来更温暖的世界中模拟全球天气的准确性。
气候模型中的无缝天气模拟
“由于其高分辨率，新的全球模型将比以前更详细地模拟风暴和天气系统等关键过程，使我们能够更准确地研究气候变化和天气事件的相互作用，”尼古拉斯·格鲁伯说， EXCLAIM 首席 PI 和环境物理学教授。
EXCLAIM 是跨学科的：与来自 ETH 气候系统建模中心 (C2SM)、ETH 计算机科学家、瑞士国家超级计算中心 (CSCS)、瑞士数据科学中心 (SDSC)、瑞士联邦材料科学实验室的气候研究人员一起和技术 (Empa) 以及联邦气象和气候学办公室 MeteoSwiss 都参与了该项目。此次合作不仅将改进气候建模，还将使瑞士气象局提供的天气预报更加可靠。国际项目合作伙伴包括德国国家气象局、Deutscher Wetterdienst(DWD)和马克斯普朗克气象研究所(MPI-M)，
通过 EXCLAIM，研究人员旨在从根本上提高天气和气候模型的空间分辨率。为了模拟全球天气和气候及其所有区域细节，此类模型在地球上放置了一个虚拟的 3D 网格。然后，研究人员使用物理定律计算模型中每个细胞的各自气候条件。当前的全球气候模型通常具有宽度为 50 至 100 公里的网格单元。从长远来看，EXCLAIM 研究人员的目标是将分辨率提高到一公里。
过去，鉴于现代超级计算机的计算能力有限，如此精细的网格只能模拟区域天气——最多只能模拟相对较短的时间。借助新模型，研究人员现在希望在全球范围内获得这种精细分辨率，使他们能够从全球气候的角度并以更清晰的方式模拟天气模式。这就像为全球气候模型提供了针对小规模事件的附加缩放功能。“更重要的是，新模型将为‘预测’未来气候中的天气铺平道路，提供有关我们今年夏天经历的暴雨等极端天气事件在未来可能会是什么样子的答案，”负责人 Christof Appenzeller 说。 MeteoSwiss 的分析和预测。
强大的气候模拟基础设施
定制的计算机基础设施对于充分利用新模型至关重要。天气和气候模型是一些最复杂、数据最密集的计算问题，这就是 EXCLAIM 模型与超级计算机的硬件和软件并行开发的原因。“计算和数据基础设施正在根据天气和气候模型的确切要求进行定制，”位于卢加诺的瑞士国家超级计算中心 (CSCS) 主任 Thomas Schulthess 说。例如，新的“阿尔卑斯”超级计算系统被配置为允许高分辨率气候模型正确解析对流系统，例如雷暴。
为了在几十年来以仅几公里的网格宽度有效地模拟全球范围内的天气和气候，该模型的运行速度必须比目前的速度快大约 100 倍。实现这一目标的第一个选择是部署速度更快、功能更强大的计算机。在这方面，从 CSCS 现有的超级计算机切换到“Alps”系统将很有帮助。
一个挑战是“摩尔定律”的终结，该定律认为处理器性能大约每 20 个月翻一番。“由于处理器的串行性能已经有大约 15 年没有提高了，提高超级计算机性能的唯一方法就是改进它们的并行处理架构，”Schulthess 说。“此外，值得专门建立超级计算机架构，使其能够以最佳方式解决各类研究问题。”这里提供必要计算能力的关键在于混合计算机架构，其中负责执行计算和在内存和组件之间共享数据的传统 CPU(中央处理单元)与 GPU(图形处理单元)一起部署。
第二个选项涉及软件，即优化模型代码以确保它充分受益于混合计算机架构。EXCLAIM 采用了一种革命性的方法，将源代码分为两部分：第一部分代表模型开发人员和用户的界面;以及底层软件基础设施部分，其中模型的中央算法针对相应的硬件以高效率实现。CSCS、MeteoSwiss 和 C2SM 已经在当前的 MeteoSwiss 天气模型中使用了这种方法，并取得了巨大成功。这种方法现在正应用于 ICON 天气和气候模型。“我们能够将 MeteoSwiss 天气模型的速度提高 10 倍，从而提高了 MeteoSwiss 预报的可靠性，”Schulthess 说。
管理数据洪流
计算速度本身并不是决定性因素。提高模型的分辨率也会导致数据爆炸。此外，天气和气候研究需要并产生高度多样化的数据。为了确保有效的吞吐量，计算机能够尽快访问数据并将结果写入存储介质同样至关重要。必须相应地组织计算过程，同时最大化内存带宽并避免昂贵的数据传输。“为了让新的天气和气候模型产生有用的结果，我们必须优化整个基础设施。为此，我们正在利用多年来与瑞士气象局和 ETH 领域合作所获得的专业知识，”Schulthess 说。
一种新的高性能天气模型可以更精确地估计温室气体排放
在 ETH 的 EXCLAIM 项目中，Empa 作为外部合作伙伴参与其中，正在开发一种高效的天气和气候模型，以优化利用最新一代高性能计算机的功能，并在编程方面开辟新天地以实现这一目标.这一发展的起点是 ICON 模型，该模型主要由 Deutscher Wetterdienst(德国气象局)和马克斯普朗克气象研究所开发，未来将被 MeteoSwiss 用于其天气预报。
然而，大气模型不仅可以用于天气预报和气候预测，还可以用于模拟空气质量或污染排放羽流的扩散，例如火山爆发或核事故。
Empa 使用此类模型通过将模拟浓度与测量值(例如 Empa 在少女峰的测量值)进行比较来估算单个来源或整个国家/地区的温室气体排放量。他们对瑞士甲烷和一氧化二氮排放量的估计公布在国家温室气体清单中，该清单由瑞士根据巴黎气候协定每年提交给 UNFCCC。因此，Empa 对每年发布的清单进行了有价值的独立审查。
为了在几公里范围内以以前无法达到的分辨率进行模拟，Empa 将来将依赖于 EXCLAIM 中正在开发的强大模型。这将需要模拟多达数百种不同的温室气体浓度实现——这是一个复杂的过程，过去只能通过粗略的空间分辨率来实现。它还将使使用未来卫星的测量结果成为可能，这些卫星测量二氧化碳和甲烷的全球分布以进行排放估算。
