科学家如何利用超强计算机模拟致命龙卷风

超级单体雷暴是巨大的风暴，其核心有强大的旋转上升气流，每四五次中就有一次会引发龙卷风。大多数龙卷风规模较小，但有些会变得非常猛烈。为了预测罕见的致命龙卷风，从而发出更有针对性的警告，气象学家需要更好地了解龙卷风的形成过程。但模拟超级单体雷暴及其产生的龙卷风需要数百 TB 的数据，数据量如此之大，以至于威斯康星大学麦迪逊分校的大气科学家 Leigh Orf 不得不使用超级计算机来实现。

部分数据来自风暴的绝对规模（类似的超级单体可以延伸超过 12 英里高）。但 Orf 需要大部分功率才能捕捉到所有细节并以高分辨率查看整个系统。首先，他使用了 2011 年席卷俄克拉荷马州中部的实际风暴的观测数据。然后，他创建了一个与真实风暴相似的数字版本，将有史以来最高分辨率的超级单体模拟结合在一起。“这是我们第一次能够窥视产生龙卷风的超级单体的内部运作，并且能够观察这个过程的发生，”Orf 说。

以下是模拟的具体细节：

数据点数量：1,839,200,000

为了尽可能高分辨率地观察数字风暴，奥夫将虚拟空间划分为近 20 亿个部分，其中大部分是边长约 100 英尺的立方体。超级计算机在每个部分中模拟了风速和风向、温度、气压、湿度和降水等因素。

使用的超级计算机核心数量：20,000

模拟所有这些部件需要大量的计算能力，尽管这只是伊利诺伊大学蓝水超级计算机提供的约 80 万个核心或处理组件中的一小部分。奥尔夫使用的计算能力大致相当于 1,250 台 Mac Pro。

大约计算时间（小时）：30

尽管实际计算花费的时间不到 Blue Waters 一个标准工作周，但 Orf 自 2012 年以来一直致力于进行这样的模拟。他的结果产生了 400 TB 的数据——足以填满 3,000 多部 iPhone。这也是有史以来最详细的龙卷风模型。“我们可以看到里面发生的一切，”Orf 说。

预计最大风速（英里/小时）：210

激发我们进行模拟的龙卷风发生在 2011 年 5 月 24 日。它起初是一场超级单体雷暴，然后开始旋转，最终形成了最强的 EF-5 级龙卷风。在近两个小时内，它开辟了一条长 63 英里、宽达一英里的路径。沿途，它撕扯了树皮，掀翻了汽车，造成 181 人受伤，9 人死亡。

模型风暴的体积（立方英里）：69,750

为了模拟 2011 年风暴的情况，奥夫将模拟设置在一个三维虚拟空间中，该空间长约 75 英里，宽约 75 英里，高约 12.4 英里。他通过在系统中创建上升气流来启动数字风暴。从此，计算机遵循物理定律，直到形成龙卷风。

本文最初发表于《大众科学》杂志的极端天气专题。