【儀表網(wǎng) 儀表下游】導(dǎo)讀：在城市中，包裹遞送、出租車甚至外賣的未來可能懸而未決，在擁堵的街道之上。但在送披薩的無人機(jī)安全降落在您家門口之前，這些城市飛機(jī)的運(yùn)營商將需要極高分辨率的預(yù)報(bào)，以預(yù)測天氣和建筑物如何相互作用以產(chǎn)生湍流以及由此對(duì)無人機(jī)和其他小型飛行器產(chǎn)生的影響。
 

　　雖然科學(xué)家已經(jīng)能夠運(yùn)行模擬來捕捉城市景觀中建筑物周圍令人眼花繚亂的復(fù)雜空氣流動(dòng)，但這個(gè)過程在超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)上可能需要數(shù)天甚至數(shù)周時(shí)間——時(shí)間太慢(而且任務(wù)計(jì)算成本太高)對(duì)日常天氣預(yù)報(bào)員有用。
 

　　現(xiàn)在，美國國家大氣研究中心 (NCAR) 的科學(xué)家們已經(jīng)證明，一種完全建立在圖形處理單元 (GPU ) 上的新型模型有可能對(duì)城市地區(qū)的大氣流量，進(jìn)行有用的街道級(jí)預(yù)測，使用更少的計(jì)算資源和時(shí)間線，使無人機(jī)和其他城市飛機(jī)的實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)可信。
 

　　在最近發(fā)表在AGU Advances雜志上的一項(xiàng)研究中，NCAR 團(tuán)隊(duì)描述了使用名為 FastEddy 的微尺度模型來模擬達(dá)拉斯市中心的大氣條件。
 

　　近年來，GPU 已經(jīng)真正成熟，它們?cè)诩铀俳７矫婢哂泻艽鬂摿?。為了最大限度地利?GPU，需要從頭開始構(gòu)建 FastEddy。
 

　　這項(xiàng)研究由美國國家科學(xué)基金會(huì)(NCAR 的贊助商)、國防威脅減少局、Uber Elevate 和 NASA 資助。用于研究的模擬是在 NCAR-懷俄明州超級(jí)計(jì)算中心的 Casper 系統(tǒng)上運(yùn)行的。
 

　　傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)通常以大約 10 到 15 公里(6 到 9 英里)的分辨率運(yùn)行，這意味著任何比這更小的東西——建筑物、街道和任何其他復(fù)雜的城市景觀——都不會(huì)被直接捕獲。即使是高分辨率天氣模型，網(wǎng)格點(diǎn)之間的間距也為 3-4 公里(1.8-2.5 英里)，這可以將整個(gè)城鎮(zhèn)減少到幾個(gè)像素。
 

　　這個(gè)來自 FastEddy® 模型的動(dòng)畫展示了當(dāng)冷鋒穿過達(dá)拉斯市中心時(shí)風(fēng)向和風(fēng)速是如何變化的。這些類型的日常天氣變化可能會(huì)對(duì)在城市環(huán)境中安全操作無人機(jī)或空中出租車的能力產(chǎn)生重大影響。
 

　　另一方面，F(xiàn)astEddy 模型可以在只有 5 米(16 英尺)的分辨率下有效運(yùn)行，足夠精確地模擬在建筑物尾流和街道峽谷中出現(xiàn)的漩渦和其他湍流特征。其他模型，包括 NCAR 的天氣研究和預(yù)測大渦模擬 (WRF-LES) 建模系統(tǒng)，也可以生成類似的高分辨率模擬，但它們使用的計(jì)算資源要多得多。這些傳統(tǒng)的模擬非常詳細(xì)，對(duì)于基礎(chǔ)研究仍然很重要，但它們對(duì)于日常預(yù)測并不實(shí)用。
 

　　WRF-LES 和其他類似模型依賴于更傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片，稱為中央處理器。CPU 擅長執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括控制、邏輯和設(shè)備管理操作，但它們執(zhí)行快速算術(shù)計(jì)算的能力有限。GPU 則相反。最初設(shè)計(jì)用于渲染 3D 視頻游戲，GPU 能夠完成的任務(wù)比 CPU 少，但它們專門設(shè)計(jì)用于非?？焖俚貓?zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算。
 

　　為了從 GPU 提供的更高速度中受益，NCAR 和其他建模機(jī)構(gòu)正在努力改進(jìn)現(xiàn)有建模代碼(包括 NCAR 的跨尺度預(yù)測模型，一種全球天氣模型)，以部分使用 GPU。結(jié)果可能比原始版本更高效、更快，但由于 CPU 在這些混合方法中產(chǎn)生的瓶頸，總是會(huì)導(dǎo)致效率低下。為了充分利用 GPU 加速的承諾，必須編寫模型的代碼，以便所有模型的計(jì)算都由 GPU 執(zhí)行。
 

　　FastEddy 是從頭開始編寫的，主要由 NCAR 科學(xué)家 Jeremy Sauer 和 Domingo Muñoz-Esparza 編寫，就是為了做到這一點(diǎn)。結(jié)果是一個(gè)模型的預(yù)測速率在類似的功耗下比等效的 CPU 模型快 6 倍(或在相同的預(yù)測速率下功耗低 8 倍)。
 

　　在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們使用 FastEddy 模擬了 2018 年達(dá)拉斯市中心的城市天氣，以應(yīng)對(duì) 50 多個(gè)選定的天氣場景。結(jié)果證實(shí)了在“城市冠層”中進(jìn)行空中作業(yè)時(shí)僅依賴分辨率明顯較低的天氣預(yù)報(bào)的潛在危險(xiǎn).”
 

　　例如，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在下午，當(dāng)?shù)乇肀惶柤訜岬目諝馍仙?、冷卻并再次下降，形成垂直環(huán)流時(shí)，城市樹冠中的風(fēng)在距離地面 26 米(或 85 英尺)處往往與同一高度的大尺度背景風(fēng)向一致。但在夜間和清晨，當(dāng)大氣較為穩(wěn)定時(shí)，穿過城市樹冠的風(fēng)實(shí)際上與大尺度背景風(fēng)的方向有所抵消。事實(shí)上，建筑物后面的尾流可以從即將到來的天氣方向順時(shí)針移動(dòng) 45 度。
 

　　從廣義上講，建模工作還顯示了城市樹冠中的天氣如何隨著季節(jié)的變化而變化，而且在同一個(gè)月內(nèi)，甚至在同一 24 小時(shí)內(nèi)，個(gè)別日子可能會(huì)出現(xiàn)顯著變化，強(qiáng)調(diào)了重要性實(shí)時(shí)預(yù)測，而不是依賴平均值。
 

　　這樣的預(yù)測可以幫助飛機(jī)運(yùn)營商確定他們是否可以安全地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，以及需要多少電池電量。城市天篷中的湍流可能導(dǎo)致電池耗盡的速度比其他情況快三倍，這可能會(huì)使飛機(jī)滯留在城市中。
 

　　除了模擬城市冠層中的湍流和風(fēng)向之外，F(xiàn)astEddy 團(tuán)隊(duì)還在研究該模型的其他可能應(yīng)用，包括一個(gè)新項(xiàng)目，用于模擬空中出租車產(chǎn)生的聲音如何在城市中傳播。
 

　　他們還致力于在模型中添加更多細(xì)節(jié)和更多物理特性。對(duì)于達(dá)拉斯實(shí)驗(yàn)，模型運(yùn)行是使用分辨率為 3 公里(1.8 英里)的傳統(tǒng)天氣模型的輸出開始的，包括風(fēng)速和風(fēng)向，以及溫度。FastEddy 然后采用這些大尺度變量并將它們縮小以模擬微尺度大氣流動(dòng)。
 

　　現(xiàn)在，F(xiàn)astEddy 團(tuán)隊(duì)正在努力通過添加潮濕動(dòng)力學(xué)和云來擴(kuò)展模型的功能，這將使這些微尺度天氣預(yù)報(bào)更加真實(shí)。此外，F(xiàn)astEddy 的非凡效率使得在同一時(shí)期多次運(yùn)行模型成為可能，這種技術(shù)被稱為集合預(yù)測。這使科學(xué)家能夠更好地了解預(yù)測的確定性(或不確定性)，并通常為飛機(jī)運(yùn)營商提供更強(qiáng)大和可靠的指導(dǎo)。