气候研究、科学计算在关键时刻趋同

2021年1月12日

几十年来,超级计算机在研究我们的气候、预测全球变化将如何影响世界以及缓解这些影响的潜在方式方面发挥了关键作用。随着新一代功能更强大的计算机的出现,科学家们已经能够以更高的分辨率创建模拟,从而揭示新的挑战和潜在的解决方案。

与此同时,全球气温上升的影响正在迫使个人和社区适应海平面上升、灾难性风暴更频繁、严重干旱、野火增加和极端温度。这些影响还对健康和经济产生影响,导致移民和社会动荡。

在12月16日对重债穷国2020年会议,爱游戏电竞加州大学伯克利分校计算机科学教授凯西·叶利克(Kathy Yelick)描述了用于研究气候的技术和气候变化的影响是如何处于十字路口的。计算仍然是研究这一问题的核心,但将不再主要关注物理建模,而是更多地使用来自许多来源的数据,通过使用机器学习,这些分析将提供对解决全球气候变化诸多影响至关重要的广泛主题的见解。

《重债穷国倡议2020》,第27条thIEEE高性能计算、数据和分析国际会议于今年12月16日至18日举行,吸引了来自四大洲的500多名与会者。叶利克在她的演讲“气候变化中的计算和数据挑战”中说,问题的复杂性以及人工智能和建模在解决这一问题中的重要性意味着全球社会需要共同努力。耶利克是劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的计算高级顾问,也是加州大学伯克利分校计算、数据科学和社会部的研究副院长,该部门旨在促进广泛的多学科合作,解决气候变化和可持续性等社会问题。例如,导致海平面上升的极地冰川融化可能会导致低洼国家的被迫移民,这可能会产生社会、政治和经济影响。爱游戏电竞

气候研究的拓展

尽管目前的气候模型实际上是由气温、海洋温度、地形等组成的相互关联的物理模型组合而成,耶利克说,未来的研究将需要更广泛的学科来充分理解并试图减轻影响。经济学、社会学、工程学、材料科学、法律和公共政策等领域需要加入社区。

在过去几十年中,气候研究人员一直致力于提高模型的分辨率,并在模型中加入新的物理概念。20年前,领先的气候模型可以将这些条件分解为200平方公里的分辨率,在全球形成一个网格。2008年,气候研究人员开始运行分辨率为25公里的模型。今天,一些团队正在进行2-3公里分辨率的短跑训练。随着exascale计算机的出现,研究人员正在寻找扩展他们的建模运行,以模拟超过一个世纪或更长时间的气候变化。

但耶利克认为,更广泛的计算和数据将影响这个问题。

例如,在加州大学伯克利分校和伯克利实验室联合任职的特雷弗·基南(Trevor Keenan)正在使用数据驱动模型来了解爱游戏电竞气候变化和长期变化对生态系统功能的影响,以及通过生态系统碳循环和用水对大气的相关反馈。他的工作将大型生态数据集(包括实地研究和遥感)与生态系统状态和功能模型以及机器学习方法相结合,以研究关键的物理和生物过程。

Yelick的一个研究项目ExaBiome开发了研究微生物群落的新工具,微生物群落由数百或数千种不同丰度和多样性的微生物组成,是气候变化、环境修复、食品生产和人类健康的核心参与者。通过研究他们的基因组学,研究人员希望了解如何利用微生物来帮助解决环境问题或制造新的化学品和药物。但是只有1%的微生物被研究过,ExaBiome项目正在解决这一问题以获得更多信息。

除了使用机器学习来理解气候的物理方面外,它还被用来预测减排和修复工作的有效性。新材料在能量捕获、储存和碳捕获方面都有希望。伯克利实验室的材料项目计算了数十万种材料设计电池、太阳能电池等的潜力,并将结果公开。机器学习被用来改进对现有数据库的搜索,并探索新材料的可行性。

机器学习还加速了金属有机框架(MOF)的设计,这种框架有可能从天然气发电厂中去除90%以上的二氧化碳,比现有方法提高了六倍。MOF就像海绵一样吸收碳,可以用蒸汽冲洗干净,然后再次使用。

超越技术解决方案

耶利克还讨论了使用机器学习管理基础设施以减少能源使用及其对气候的影响。交通就是一个例子,占美国能源消耗的30%。交通堵塞不仅让司机感到沮丧,还浪费燃料,恶化空气质量。利用来自车辆和传感器的数据,机器学习可以帮助优化交通流。

通过为建筑物配备连接到计算机进行分析的数据采集传感器,机器学习可以训练建筑物的系统以最节能的方式运行,同时满足建筑物用户的需求。

确保新基础设施的经济可行性是建模和机器学习应用的另一个领域。例如,对风力涡轮机的安装进行了建模,以便更好地了解涡轮机的布置如何影响到沿线机器的风流量,以及如何最大限度地提高所有涡轮机的效率。

在加州爱游戏电竞大学伯克利分校,经济学家大卫·齐伯曼(David Zilberman)研究了一种形式的可再生能源如何“蚕食”另一种形式的收入,比如风能和太阳能一起使用。他发现,在有太阳能的地区引入风力涡轮机会降低太阳能的价值,而增加太阳能电池板会增加风能的价值。

“经济模式和技术一样重要,”耶利克说。

她说,还有社会成本要考虑。

“我们需要了解气候变化对经济的影响,这现在需要政策专家的参与。“干旱对哪里的影响最大?这将如何影响居住在那里的人们?他们会被迫迁移吗?人类行为很难建模,但绝对需要了解。”

叶利克在演讲结束时引用了巴拉克·奥巴马总统的气候行动呼吁:“我们是第一代感受到气候变化影响的人,也是最后一代能够有所作为的人。”