Сколько озона в атмосфере?
Применение суперкомпьютеров и системы PEGASUS для моделирования химического состава атмосферы
|
На этом рисунке представлены результаты расчетов на основании высокоточной модели химического состава воздуха, разработанной сотрудниками Pacific-Northwest National Laboratory (PNNL), Национальной лаборатории Министерства энергетики США. Рисунок показывает смоделированные через шестичасовые интервалы изменения уровней озона в стратосфере Северной Атлантики над Ньюфаундлендом на высоте семи тысяч метров над уровнем моря. Скорость и направление ветра, полученные в результате моделирования, показаны в виде векторов. Эти результаты являются частью исследования, проводимого специалистами по атмосферным явлениям Ксинди Биан (Xindi Bian), Ричардом Истером (Richard C. Easter) и Джеромом Фастом (Jerom D. Fast), с целью совершенствования методов м оделирования химического состава атмосферы и разделения озона, приходящего в нижние слои атмосферы из стратосферы, и озона, создаваемого в результате деятельности человека. Компьютерное моделирование проводится на системе IBM RS/6000 SP в вычислительном центре по молекулярным исследованиям MSCF в составе PNNL. Новый код, который они разработали, называется PEGASUS ("Пегас"), в честь знаменитого крылатого коня из греческой мифологии. Этот акроним также определяет организацию, которая разработала код - PNNL, математическую среду (framework) - Eulerian, возможность расчета нескольких химических фаз - газы и аэрозоли (Gas and Aerosols), масштабируемость (Scalability), а также тот факт, что PEGASUS представляет собой единую систему (Unified System) для описания как химических, так и метеорологических процессов. Важность моделирования уровней озона в атмосфере связана с его потенциальным значением для общества. Проведенные ранее измерения в ряде удаленных точек привели ученых из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration) к заключению, что количество антропогенного (создаваемого в результате деятельности человека) озона, входящего в нижнюю тропосферу над Северной Атлантикой, больше чем количество "естественного" озона, приходящего вниз из стратосферы. |
|
Эти результаты подтвердили заключение, что антропогенное загрязнение влияет на полушарие средних северных широт. Совмещение возможностей улучшенной техники моделирования в системе PEGASUS и высокопроизводительных вычислительных систем позволяет ученым получать точное количественное описание атмосферных процессов в планетарном масштабе.
"Использование массивно-параллельных вычислительных архитектур поставило вопрос о соответствующих параллельных алгоритмах для расчета моделей химического состава воздуха в среде Eulerian," - отмечает руководитель программы Карл Беркович (Carl Berkowitz), - "Основное внимание при разработке PEGASUS было уделено эффективному использованию сотен процессоров в рамках одной вычислительной системы для расчета множества физических процессов в современных моделях атмосферы."
В рамках проекта PEGASUS была разработаны методы, сокращающие время одного расчета в модели химических реакций и явлений переноса с нескольких недель до двух часов. "Успех этого проекта был обусловлен результатом модификаций в численном интегрировании основных уравнений атмосферной модели" - пояснил Беркович.
Программа моделирования расчитывает изменение состава химических веществ (таких как озон) в атмосфере в результате горизонтального (шаг А) и вертикального вертикального переноса, а также диффузии и локальных химических реакций (шаг B). В результате применения "продвинутой" параллельной техники моделирования, на 128 процессорах системы RS/6000 SP было получено ускорение в 110 раз по сравнению с одним процессором. Всего система в MSCF включает 512 процессоров P2SC/120 MHz и имеет пиковую производительность в 247 GFLOPS.
Беркович объясняет, что "ограниченные компьютерные ресурсы и устаревшая техника программирования в прошлом значительно сужали возможности моделирования из-за грубого шага (разрешения) в пространстве и времени. Эти ограничения также снижали уровень детализации, с которой моделировалась химическая картина". Совмещение преимуществ новой техники моделирования в системе PEGASUS и массивно-параллельной системы RS/6000 SP в MSCF дали ученым возможность получать точное описание химических процессов образования и разрушения озона в атмосфере. При этом PEGASUS обеспечивает расчет на наборах вложенных сеток, что позволяет уменьшить размер ячейки до 30 километров. "При таком разрешении стало возможно использовать данные наблюдений для того, чтобы оценить корректность работы модели".
Сейчас проводятся исследования для оценки вероятности того, что озон, образованный в стратосфере, может смешиваться с антрополенным озоном, т.е. образованным в результате деятельности человека. Эти новые расчеты использовались для сравнения результатов, полученнных в модели химии атмосферы с измеренными уровнями озона в районе Ньюфаундленда. Эти сравнения являются одними из первых результатов по получению количественного соотношения антропогенного озона к естественному фону озона в отдаленных местах.
Подробнее об этих исследованиях:
Читайте другие статьи серии Суперкомпьютерные технологии рядом с нами.
© Лаборатория Параллельных Информационных Технологий, НИВЦ МГУ
