超级计算机帮助保护地球免受太空风暴影响

密歇根大学研究人员使用Frontera超级计算机来改进空间天气预报系统，避免极端 空间天气 事件的最坏影响。 上一次重大的空间天气事件在1859年袭击了地球，但是破坏度较小的空间天气事件经常发生。

这些事件会炸毁电子产品和电网，扰乱全球定位系统，导致北极光的范围发生变化，并提高宇航员或穿越两极飞机乘客的辐射风险。如果像1859年那样的极端事件再次发生，它将完全摧毁电网、卫星和通信系统。

在白宫国家空间天气战略和行动计划以及国家战略计算倡议的推动下，2020年，美国国家科学基金会（NSF）和美国国家航空航天局创建了空间天气与量化不确定性（SWQU）计划。它汇集了来自各学科的研究团队，在空间天气建模领域内推进最新的统计分析和高性能计算方法。

这个计划是六个项目的组合，其中包括Gabor Toth的项目，不仅有领先的大学团体参与，而且还有NASA中心、国防部和能源部国家实验室，以及私营部门。Gabor Toth帮助开发了当今卓越的空间天气预测模型，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模型2.0版，这是密歇根大学空间天气建模框架的一部分，用于预测地磁干扰。

Geospace模型2.0版主要变化是细化了磁层的数值网格，对算法进行了若干改进，并对经验参数进行了重新校准。Geospace模型是基于对地球空间环境的全球表述，其中包括磁流体动力学，像等离子体这样的导电流体与磁场相互作用的特性和行为，这在空间天气的动力学中起着关键作用。Geospace模型预测了地球空间与太阳风相互作用所产生的地面上磁扰动。这样的磁扰动会诱发地电场，从而损害大规模的电导体，如电网。

该模型发出的短期预警为电网运营商提供了关于有害电流的预报，并允许它们有时间来缓解问题和维护电网的完整性。尽管Geospace模型很先进，但它只提供了大约30分钟的预先警告。现在团队致力于将提前量增加到1至3天，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。

改善空间天气预报的提前量需要新的方法和算法，这些方法和算法的计算速度远远超过今天使用的方法和算法，并且可以在高性能计算机上有效部署。Gabor Toth使用德克萨斯高级计算中心的Frontera超级计算机来开发和测试这些新方法。其中，一个关键的算法改进涉及在一个模拟模型中结合等离子体的动力学和流体细节，研究者通过发明智能近似值和算法，比粗暴的模拟快了一百万倍，这可以使Geospace模型预测速度加快10到100倍。

Gabor Toth团队一直在努力使空间天气建模框架在未来的超级计算机上高效运行，这些超级计算机严重依赖图形处理单元（GPU）。作为第一个目标，他们着手使用带有OpenACC指令的英伟达Fortran编译器将Geospace模型移植到GPU。他们最近设法在单个GPU上以更快的速度运行整个Geospace模型。他们使用支持GPU的Longhorn机器来达到这一里程碑。在传统的超级计算机上以同样的速度运行该模型需要至少100个CPU核心。

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