大數(shù)據(jù)了解氣候變化:它們是怎樣運(yùn)作的

      氣候變化確實(shí)威脅著我們的星球，全球都應(yīng)感受到它的毀滅性后果。美國(guó)航空航天局(NASA)氣候模擬中心(NCCS)高性能計(jì)算負(fù)責(zé)人Daniel Duffy博士，介紹了大數(shù)據(jù)對(duì)氣候變化研究工作的至關(guān)重要性。

　　NCCS為大規(guī)模的NASA科學(xué)項(xiàng)目提供高性能計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。其中許多項(xiàng)目涉及全地球性天氣和氣候模擬。這些模擬生成的海量數(shù)據(jù)是科學(xué)家永遠(yuǎn)讀取不完的。因此，益發(fā)有必要提供分析和觀察這些模擬產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)集的方法，更深入了解氣候變化等重大科學(xué)問題。

　　大數(shù)據(jù)和氣候變化：它們是怎樣運(yùn)作的？

　　大數(shù)據(jù)和氣候研究息息相關(guān)；沒有海量數(shù)據(jù)就無法進(jìn)行氣候研究。

　　NCCS擁有名曰“探索號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)”的計(jì)算機(jī)集群，主要目標(biāo)是提供必要的高性能計(jì)算和存儲(chǔ)環(huán)境，以滿足NASA科學(xué)項(xiàng)目的需求。探索號(hào)計(jì)算機(jī)正在開展一系列不同的科學(xué)項(xiàng)目，其中的大部分計(jì)算和存儲(chǔ)資源被用于天氣與氣候研究。

　　探索號(hào)計(jì)算機(jī)是一種高性能計(jì)算機(jī)，專門為極大規(guī)模緊密耦合的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是硬軟件緊密結(jié)合和相互依存的系統(tǒng)。雖然該計(jì)算機(jī)沒有被用于從衛(wèi)星等遙感平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，但該計(jì)算機(jī)運(yùn)行的許多大氣、陸地和海洋模擬都需要觀測(cè)數(shù)據(jù)的輸入。使用探索號(hào)計(jì)算機(jī)的科學(xué)家不斷收集輸入其模型的全球性觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　然而，如果科學(xué)無法以有效手段觀測(cè)和比對(duì)數(shù)據(jù)，即使向它們提供海量數(shù)據(jù)也毫無意義。NASA全球建模和模擬辦公室(GMAO)增強(qiáng)性動(dòng)畫就是這方面的范例，該辦公室利用多方來源的觀測(cè)信息驅(qū)動(dòng)天氣預(yù)報(bào)。

　　GMAO的GEOS-5數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)(DAS)將觀測(cè)信息與建模信息融合，以生成任何時(shí)間內(nèi)都最為精確和質(zhì)地統(tǒng)一的大氣圖像。每6小時(shí)的累計(jì)觀測(cè)超過500萬次，并對(duì)氣溫、水、風(fēng)、地表壓力和臭氧層的變量進(jìn)行比對(duì)。模擬觀測(cè)分八大類型，每類對(duì)不同來源的變量進(jìn)行測(cè)量。

　　數(shù)據(jù)處理

　　氣候變化模型需要具有大量存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)快速接入且數(shù)據(jù)不斷增加的計(jì)算資源。為滿足這一要求，探索號(hào)計(jì)算機(jī)由多個(gè)不同類型的處理器組成：79200個(gè)英特爾Xeon核心、28800個(gè)英特爾Phi核心和103680個(gè)Nvidia圖像處理器(GPU)CUDA核心。

　　探索號(hào)計(jì)算機(jī)的總計(jì)算能力為3.36萬億次，或每秒3,694,359,069,327,360次浮點(diǎn)運(yùn)算。為使大家更好地理解這一規(guī)模的計(jì)算能力，該計(jì)算機(jī)可在一秒鐘內(nèi)完成活在世上的每個(gè)人以每秒將兩個(gè)數(shù)字相乘的速度連續(xù)運(yùn)算近140個(gè)小時(shí)的運(yùn)算量。

　　除了計(jì)算能力外，探索號(hào)計(jì)算機(jī)還具有約33拍字節(jié)(petabyte)的磁盤存儲(chǔ)空間。典型的家庭硬盤容量為一兆兆(terabyte)字節(jié)，因此，該計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力相當(dāng)于33000個(gè)這類磁盤。如果用它存儲(chǔ)音樂，你可以編排一個(gè)長(zhǎng)度超過67000年而不重復(fù)的演奏清單。

　　NCCS每年都對(duì)探索號(hào)計(jì)算機(jī)進(jìn)行升級(jí)。隨著其服務(wù)器和存儲(chǔ)的老化，在四或五年后替換而不是繼續(xù)運(yùn)行部分設(shè)備實(shí)際上能夠提高效率。例如2014年年底至2015年年初利用升級(jí)的計(jì)算機(jī)群取代了探索號(hào)計(jì)算機(jī)2010年升級(jí)的設(shè)備。在地面空間、功率和冷卻包絡(luò)相同的情況下，升級(jí)后的NCCS可將計(jì)算能力提高約7倍。退役設(shè)備通常會(huì)轉(zhuǎn)變用途，用于內(nèi)部支持和其他業(yè)務(wù)或大學(xué)等外部站點(diǎn)，包括馬里蘭大學(xué)巴爾的摩分校(UMBC)和喬治梅森大學(xué)(GMU)。

　　數(shù)據(jù)映射：氣候變化與預(yù)測(cè)

　　NCCS生成的數(shù)據(jù)推動(dòng)了不同重要研究和政策文件的起草工作。

　　這一數(shù)據(jù)使人們能夠就我們星球的氣候變化影響進(jìn)行更知情的對(duì)話，并有助于決策機(jī)構(gòu)針對(duì)氣候預(yù)測(cè)制定出適用戰(zhàn)略與行動(dòng)。例如，該數(shù)據(jù)已被用于氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)推出的評(píng)估報(bào)告。NCCS從事和NASA科學(xué)可視化工作室觀測(cè)的數(shù)據(jù)模擬，介紹了IPCC第五次評(píng)估報(bào)告提出的氣候模型，對(duì)氣候和降雨預(yù)計(jì)在整個(gè)21世紀(jì)的變化方式做了說明。

　　于2005年襲擊了美國(guó)墨西哥灣沿岸的卡特里娜颶風(fēng)突顯了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的重要性。雖然它造成了巨大損失，但要不是預(yù)警預(yù)報(bào)給人們留出了適當(dāng)準(zhǔn)備時(shí)間，損失就會(huì)嚴(yán)重得多。如今，NCCS的超級(jí)計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)GMAO全球環(huán)流建模，其分辨率比卡特里娜颶風(fēng)時(shí)提高了10倍，因而能夠更準(zhǔn)確地觀察颶風(fēng)內(nèi)部，并有助于對(duì)其強(qiáng)度和規(guī)模做出更精確的估計(jì)。這意味著氣象學(xué)家能夠更深入地了解颶風(fēng)的走向及其內(nèi)部活動(dòng)，這對(duì)于就卡特里娜颶風(fēng)這類極端天氣做出成功規(guī)劃和準(zhǔn)備至關(guān)重要。

　　此外，觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)(OSSE)還利用全球氣候模型的輸出成果模擬NASA提出的下一代遙感平臺(tái)，從而向科學(xué)家和工程師提供了虛擬地球，以便在制作新的感應(yīng)器或衛(wèi)星之前研究大氣遙測(cè)的新優(yōu)勢(shì)。

　　未來的氣候變化數(shù)據(jù)

　　數(shù)據(jù)是NASA的主要產(chǎn)品。衛(wèi)星、儀表、計(jì)算機(jī)甚至人員都可能頻繁進(jìn)出NASA，但數(shù)據(jù)尤其是地球觀測(cè)數(shù)據(jù)具有永駐價(jià)值。因此，NASA必須不僅讓其他NASA的站點(diǎn)和科學(xué)家，而且要讓全球都用上它生成的數(shù)據(jù)。

　　僅時(shí)時(shí)生成的數(shù)據(jù)量就構(gòu)成了一大挑戰(zhàn)。在研究系統(tǒng)的科學(xué)家都難以使用數(shù)據(jù)集的今天，NASA以外的人們獲得可用數(shù)據(jù)更是難上加難。因此，我們開始研究創(chuàng)建一項(xiàng)氣候分析服務(wù)(CAaaS)，將高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)和應(yīng)用編程接口(API)相結(jié)合，以便為在現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)據(jù)共同運(yùn)行的分析程序提供接口。換句話說，用戶可就他們關(guān)心的問題提問，并利用NASA系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行分析，隨后將分析結(jié)果返回用戶。由于分析結(jié)果的規(guī)模小于生成它的原始數(shù)據(jù)，這一系統(tǒng)將減少經(jīng)不同網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)量，而更重要的是，API可以大大減少用戶和數(shù)據(jù)間的摩擦。