高性能计算大显神威 气象、地质勘探行业受益

时间:2009-07-02   来源:   网友评论:0   人气: 361 作者:

谈到高性能计算,最为典型的代表莫过于气象、地质勘探行业的应用。气象行业中高性能计算主要应用在数值预报模式中的业务运算研究以及研制开发上。所谓数值预报即根据大气实际情况,在一定的初值和边值条件下,通过大型计算机作数值计算,求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组,预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。
   
    根据天气动力学原理,用十几个偏微方程组来描述大气的物理运动状态。用数值解将空间分成若干个等距节点,把大气从水平到垂直切割成立体网格,通过对网格中每个立体方格的气压、温度、湿度、风的尾向、静止方向以及垂直方向六要素的搜集,用偏微方程进行解析解。“数值预报的计算量很大,可以毫不夸张地说,无论性能再好,运算能力再强的计算机拿过来在气象行业应用,过不了多久就能让它负荷满满。” 国家气象局信息中心副总工沈文海这样形容道。
   
    数值预报模式一方面计算复杂性高,另一方面需要计算处理的原始数据量大。首先对于原始计算数据来说,风云三号极轨卫星一条扫描带绕地球纵向转一圈的数据量就有3G左右,极轨卫星每天数据采集量达到100G之多。而风云一号、二号静止卫星的数据量每天约有10G。此外雷达预报中,每个雷达每天的数据量都在5G左右,一年的数据增量在 100-200TB之间。如此大的数据量都需要借助高性能计算实时分析。
   
    其次,气象行业计算复杂性高、计算量大,多年来已成为高性能计算应用的主要用户。例如:对于气候的评估,用若干个模式来评估青藏高原未来五十年至一百年以后的气候状况,以了解未来青藏高原的温度是否升高,冻土层是否会融化。“这些都需要我们对以往所有该地区气候资料的搜集,进行数据分析,建立模型,并最终作出评估,确实离不开对数据的计算。”沈文海解释道。
   
    同样,甘肃省气象局面对当地一些区域树木干枯、河水断流的现象进行分析,根据数据的计算发现造成干旱的根本原因是雪山融水的减少。由于气候变暖,山上积雪量减少,雪山上的融水减少,造成积水渗透到地下水中量减少,地下水会以某种形式转变成泉水,再由泉水汇集成河流,由于最终水源积雪融水的减少,使得这些区域变得干旱。
   
    “现在对于气候模式数值预报正在发展中,不同模式每种模式都需要计算,即便同一模式下,由于观测密度不同计算量也不一样。” 沈文海讲道。例如:同一种模式下1度×1度是一种算法,0.5度×0.5度又是一种算法,而且每缩小一倍,计算量增加4倍。这仅仅是水平切割,再加上垂直划分,计算量以数量级的规模增加。因为对于整个大气网格划分越密,监测越细致,对于某一地区灾害性天气的预测就越准确。
   
    此外,除了借助高性能计算对气候做长期跟踪以外,还对某地区短时间内的天气进行预测。例如:冰雹这类灾害性天气可以对积云密度的分析,该地区空气对流的强度的计算进行预测。
   
    同样在科研领域中,南京大学较早将高性能计算机应用在大气科学、地球科学、生命科学、以及物理、化学领域的研究。“从国内外最近这十多年的发展来看,计算科学在科学研究当中所起的作用越来越大,除了流体动力学在工业领域的应用外,生命科学和材料科学是两个发展最迅速、应用最广泛的领域。” 南京大学地球科学与工程学院、江苏省计算机学会高性能计算专业委员会主任委员周会群教授谈到。
   
    “高性能计算还在改变着一些传统科学领域的面貌。对于地球科学,过去人们的印像是,拿着榔头到野外去敲敲石头,拿显微镜看看。而现在我们可以用高性能计算机来分析地球内部的物质结构。” 就高性能计算对科学研究的影响,周会群教授这样说到。
   
    同样在物理化学领域,对于一些功能性的材料添加某种物质后,它的物理性质:力、热、声、光、电、磁性质是否发生奇异的改变,这些都可以借助通过计算得出。再比如说生命的奥秘——基因序列的测定,蛋白质自组装机制的探索,如何能够最有效地、最节省成本地开发一种新药?这些都离不开高性能计算机的应用。
   
    对于能源勘探行业,更是高性能计算应用的传统行业。“我们通过人工爆破,在地面部置检波器,当爆炸声传到地下后遇到不同物质界面会反射回来,我们通过搜集反射波,并利用高性能计算机对其进行分析,了解地质构造。” 中海油能源股份有限公司采油工程研究院朱晓欣谈到。借助高性能计算及处理大量石油勘探数据,对盆地目标造影,了解地下资源分布状况。
   
    不管是天气预报还是能源勘探,对于任何数据的分析都离不开高性能计算,而现今高性能计算正在从这些传统应用领域走向更广的商业领域应用中。


 

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