“只有两次自然灾害会影响整个美国，”密歇根大学气候与空间科学与工程教授 Gabor Toth 说。“一个是大流行病，另一个是极端太空天气事件。”
我们目前正在实时看到第一个的效果。
上一次重大太空天气事件于 1859 年袭击地球。较小但仍然很重要的太空天气事件定期发生。这些炸毁电子设备和电网，扰乱全球定位系统，导致北极光的范围发生变化，并增加宇航员或穿越两极的飞机上的乘客受到辐射的风险。
“我们拥有所有这些面临风险的技术资产，”托特说。“如果像 1859 年那样的极端事件再次发生，它将彻底摧毁电网、卫星和通信系统——风险要高得多。”
在白宫国家空间天气战略和行动计划以及国家战略计算计划的推动下，美国国家科学基金会 (NSF) 和 NASA 于 2020 年创建了具有量化不确定性的空间天气 (SWQU) 计划。它汇集了来自不同科学学科的研究团队，以推进空间天气建模领域的最新统计分析和高性能计算方法。
NSF 等离子体物理项目主任 Vyacheslav (Slava) Lukin 说：“我们非常自豪能够在 NSF 和 NASA 的共同努力下汇集多个科学领域的专业知识和支持，启动 SWQU 项目。”“这种需求已经得到了一段时间的认可，六个项目的组合，其中包括 Gabor Toth 的项目，不仅涉及领先的大学团体，还涉及 NASA 中心、国防部和能源部国家实验室，以及私营部门部门。”
Toth 帮助开发了当今卓越的空间天气预报模型，该模型被美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 用于业务预测。2021 年 2 月 3 日，NOAA 开始使用 Geospace Model Version 2.0(密歇根大学空间天气建模框架的一部分)来预测地磁扰动。
“我们不断改进我们的模型，”托特说。新模型取代了自 2017 年 11 月开始运行的 1.5 版本。“版本 2 的主要变化是磁层数值网格的细化、算法的一些改进以及经验参数的重新校准。”
地球空间模型基于地球地球空间环境的全球表示，其中包括磁流体动力学——导电流体(如等离子体与磁场相互作用)的特性和行为，在空间天气动力学中起着关键作用。
地球空间模型可预测地球空间与太阳风相互作用导致的地面磁扰动。这种磁干扰会引起地电场，该地电场可能会损坏大型电导体，例如电网。
美国国家海洋和大气管理局在发射时宣布，该模型的短期提前预警为预报员和电网运营商提供了对有害电流的态势感知，并有时间缓解问题并保持电网的完整性。
与 Geospace Model 一样先进，它仅提供大约 30 分钟的提前警告。Toth 的团队是致力于将交付周期延长至一到三天的多个团队之一。这样做意味着了解太阳表面的活动如何导致可能影响地球的事件。
“我们目前正在使用来自地球一百万英里外的卫星测量等离子体参数的数据，”托特解释说。研究人员希望从太阳开始，使用对太阳表面的远程观察——特别是日冕物质抛射，产生在 X 射线和紫外线下可见的耀斑。“这发生在太阳的早期。从那时起，我们可以运行一个模型并预测磁事件的到达时间和影响。”
改善空间天气预报的提前期需要新的方法和算法，这些方法和算法的计算速度比当今使用的方法和算法快得多，并且可以在高性能计算机上有效部署。Toth 使用德克萨斯高级计算中心的 Frontera 超级计算机——世界上最快的学术系统，综合排名第十的最强大的系统——来开发和测试这些新方法。
“我认为自己非常擅长开发新算法，”托特说。“我将这些应用于空间物理学，但我开发的许多算法更通用，并不局限于一种应用。”
Toth 进行的一项关键算法改进涉及找到一种新方法，将等离子体的动力学和流体方面结合在一个模拟模型中。“人们以前尝试过但失败了。但我们让它成功了。通过发明智能近似和算法，我们比蛮力模拟快了一百万倍，”托特说。
新算法根据仿真结果动态调整动力学模型覆盖的位置。该模型识别感兴趣的区域，并将动力学模型和计算资源集中在这些区域上。这可以使空间天气模型的速度提高 10 到 100 倍。
作为 NSF SWQU 项目的一部分，Toth 和他的团队一直致力于使空间天气建模框架在未来严重依赖图形处理单元 (GPU) 的超级计算机上高效运行。作为第一个目标，他们开始使用带有 OpenACC 指令的 NVIDIA Fortran 编译器将 Geospace 模型移植到 GPU。
他们最近设法在单个 GPU 上以比实时更快的速度运行完整的 Geospace 模型。他们使用 TACC 的支持 GPU 的 Longhorn 机器来实现这一里程碑。要在传统超级计算机上以相同速度运行模型，至少需要 100 个 CPU 内核。
“为了实现这一目标，我们花了整整一年的时间开发代码，”Toth 说，“我们的目标是快速有效地运行一组模拟，以提供概率空间天气预报。”
这种类型的概率预测对于 Toth 研究的另一个方面很重要：根据对地球表面的影响进行本地化预测。
“我们应该在密歇根州担心还是只在加拿大担心?特定变压器将经历的最大感应电流是多少?发电机需要关闭多长时间?要准确做到这一点，你需要一个你相信的模型，”他说。“无论我们预测什么，总会有一些不确定性。我们希望给出精确概率的预测，类似于地面天气预报。”
Toth 和他的团队为每次模拟在 Frontera 上的数千个内核上并行运行他们的代码。他们计划在未来几年运行数千次模拟，以了解模型参数如何影响结果，从而找到最佳模型参数并能够将概率附加到模拟结果中。
“没有 Frontera，我认为我们无法进行这项研究，”Toth 说。“当你把聪明人和大型计算机放在一起时，伟大的事情就会发生。”
密歇根太阳对地模型，包括 SWMF 地理空间和新的 GPU 端口，可在QUDA 上作为开源获得。Toth 和他的合作者在 EOS 5 月刊中发表了对该模型最近和正在进行的发展的评论。
