德国科学家打造“数字地球”：精确到每平方公里的气候模拟

德国科学家创建全球首个公里级“数字地球”，以6.7亿个计算单元同时模拟天气与气候，为未来预测提供前所未有的精度。

天气预报一向不稳定，气候模拟更是难上加难。然而，科学家们正一步步逼近能够“预知”地球行为的理想模型。最新研究由德国马普研究所的Daniel Klocke团队领导，他们在论文中宣布实现了气候建模领域的“圣杯”：一种分辨率接近一公里的全球数字模型，首次将天气预测与气候模拟融为一体。

严格来说，这个模型的分辨率是每个格点1.25公里。即便如此，它仍是前所未有的细致网格。整个地球被分割成约3.36亿个地表与海洋网格，再在垂直方向上叠加相同数量的大气单元，总计6.72亿个计算单元。每个单元都对应地球上的一个“呼吸点”，共同构成一颗数字地球。

在这些单元中，研究者运行了一系列互联模型，分别描述地球的“快”与“慢”动态系统。所谓“快系统”包括能量循环与水循环，也就是我们所感知的天气。雷暴、飓风、云系的形成都需要极高分辨率才能捕捉。研究团队使用了由德国气象局与马普气象研究所联合开发的ICON模型，其特点是采用“二十面体非静力”算法，可以灵敏地描绘空气运动与降水变化。

相对的，“慢系统”则涵盖碳循环、生物圈变化以及海洋化学演化等。这些过程以年甚至数十年为尺度，与气候趋势息息相关。能够在同一模型中同时模拟这两类过程，正是这项研究的最大突破。传统气候模型若尝试整合如此复杂的系统，计算分辨率往往不得低于40公里，否则无法运行。

研究团队如何打破这一限制？答案在于软件重构与超级计算。原始模型用Fortran语言编写，这是一种上世纪主导科学计算的老语言，如今却成了现代架构的负担。团队选择重写框架，采用名为DaCe的“数据中心并行编程”系统，使模型能在最新硬件上高效运行。

运行这颗数字地球的，是两台欧洲最强超级计算机：位于德国的JUPITER和瑞士的Alps。它们都搭载了Nvidia最新的GH200 Grace Hopper芯片。这种芯片结合了AI训练常用的GPU(Hopper)与ARM公司的CPU(Grace)，能在同一系统内实现双向分工。

研究团队将“快系统”运算交给GPU处理，以应对天气变化的快速更新；而“慢系统”如碳循环，则由CPU并行支持。通过这种分工，他们动用了20480个GH200超级芯片，使模型能在一天内计算出145.7天的地球演化。整个过程涉及近一万亿个“自由度”，也就是需要计算的数值参数量。这种规模的计算，唯有超级计算机方能承载。

不过，想在地方气象站用上如此精密的模拟，还为时尚早。如此庞大的算力极其稀缺，大多数高端芯片都被科技巨头用于训练生成式AI，而非气候研究。

尽管如此，这项工作仍标志着人类在理解地球系统方面迈出巨大一步。科学家成功让全球天气与气候在同一虚拟地球中协同演化，仿佛为行星本身打造了一面镜子。或许在不远的将来，我们能在屏幕上看到地球的“数字分身”，以公里为单位呼吸、闪电、降雨与自我调节。届时，预测风暴将不再只是预言，而是提前窥见未来的现实。

本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。