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雾霾预警曙光在行动,HPC把脉大气污染  

2014-09-05 07:08:37|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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五年前,恐怕没有多少人知道PM2.5是什么意思。而现在,这个有点专业的名词早已成为网络热词,不仅家喻户晓,而且经常和我们每个人的呼吸道切切实实地“打着交道”。究其原因,自从2013年春天那场旷日持久的京城十面“霾”伏起,以PM2.5为代表的大气污染就成为了人们生活关注的一部分。受其影响,医院呼吸道病人剧增,高速公路关闭,航班被取消。频繁的雾霾天气和连续污染过程严重影响了环境空气质量和公众健康,对生产生活交通造成重大影响,引起全社会的极大关注,也对环境保护部门提出了极端严峻的考验。

2013年9月,国务院下发了“大气污染防治行动计划”(简称大气十条),对全国大气污染防治提出了指导性意见。中国环境监测总站作为环境保护部直属单位和全国环境监测系统的业务管理和指导单位,义不容辞地承担起了区域大气污染成因和污染预报预警系统的研究工作。“京津冀”区域作为大气污染的重中之重,自然成为环境监测总站研究空气污染防治的突破口。

探索大气污染成因,是一项技术含量很高的工作。因为目前的大气污染,已经不仅含有SO2、NOx等一次污染物,更关键的是包含大量的如PM2.5、臭氧等二次污染物,呈现复合型污染趋势。二次污染物,意即污染物并非直接从污染源排放,而是在大气中发生了各种复杂的物理化学反应所形成,要研究其形成过程,需要借助描述大气科学的各种规律的“方程式”(专业名词叫“数值模式”)。当然,这些方程式都非常复杂,涉及到多元偏微分,手工求解不太现实,这时候计算机终于派上用场了,而且必须是高性能计算机,因为计算量太大,普通PC、工作站根本无法胜任。

通过高性能计算机的大规模数值计算,可以根据目前污染物的情况,计算出未来一段时间的大气污染物的浓度和分布,这就叫空气质量预报。反过来,从预报结果,我们还可以返算出是哪些污染物“贡献”了污染的结果,这就叫污染来源解析。通过计算机模拟计算,我们就可以了解清楚大气污染的来龙去脉,从理论上为污染防控提供决策指导。当然,要想计算得准,最关键是要有一个准确的污染源清单,我们要想各种办法,让这个初始的“源”尽可能接近现实的源。这离不开环境监测和一门叫“数据同化”的技术,不再赘述。

其实,空气污染的预报模拟,跟目前我们熟知的天气预报有异曲同工之处,都是通过大规模的计算机数值模拟实现的。他们都属于一门叫“数值预报”的领域,只不过用到的“方程式”不同而已。空气污染的模拟,还需要用到天气模拟的结果作为驱动,因为空气污染是跟天气状况紧密相关的。

曙光公司作为国内领先的高性能计算机提供商,不仅研制高性能计算机,而且深入到各行各业的高性能计算应用中,研究各个领域应用的特点,为用户提供与他们的应用软件相匹配的硬件,这在数值预报领域体现的更为明显。曙光公司早在1998年便开始跟国家气象局、中科院大气所等国内领先的数值模式应用和开发单位合作,在应用的移植、优化方面积累了大量的经验。曙光公司还成立了国内领先的数值预报模式支持团队,全部由行业应用出身的硕士、博士等组成,为曙光的气象、海洋、环保等用户提供专业的技术支持服务。曙光开发的气象一体机、业务化预报软件、预报流程监控系统也在多地成功安装运行,为客户提供专业快捷的数值预报解决方案。

面对近几年中国日益严峻的大气污染现状,曙光作为国有企业有义不容辞的责任。曙光积极与国内权威研究机构进行密切合作,在模式开发、业务系统调试、模型预报效果改善等方面开展了大量工作,积累了丰富的实践经验。此次推出的一体化区域空气质量预报预警平台解决方案,包含硬件层、数据层、模式层和应用层四个层次,融合了曙光专业的高性能计算机和空气质量数值模式系统,能够为环保用户建设环境空气质量预报预警提供端到端的整体解决方案。该方案在完整性、先进性、成熟型、可扩展性、环保节能等方面进行了专门的设计,很好的符合环保单位的应用需求和用户习惯。

雾霾预警曙光在行动,HPC把脉大气污染 - 中科曙光 - 中科曙光

图1曙光空气质量数值预报整体解决方案

数值预报高性能计算机采用完全模块化设计,充分考虑了高性能和高可靠性之间的平衡,并在设计中处处体现出节能环保的原则。在计算模块选型中,采用了曙光专门针对HPC应用高度定制的高密度刀片服务器,是满足数值预报模式巨大浮点计算量需求的理想选择。存储模块选用曙光自主知识产权的Parastor200并行存储系统,具备分级存储、故障快速自愈、全冗余架构、无限横向扩展、海量文件支持、数据生命周期管理、异地备份等多项创新特征,跟数值预报数据量巨大、并发访问频繁、历史数据归档等需求完美匹配,为开展空气质量数值预报提供了绝佳的共享数据存储空间。鉴于空气质量数值模式通信量巨大,计算系统和存储系统所有节点均采用全线速的Infiniband高速互联网络,可支持FDR、EDR甚至更高的网络传输速率。特别的,针对环保部门对于系统节能环保的需求,曙光在机房基础设置领域拥有机柜级、机柜排级、冷池极、机房级别的整套解决方案,根据不同规模,提供风冷、氟冷、液冷等不同制冷方式,从而有效提高制冷效率,降低了能源消耗,建设绿色环保数据中心。在空气质量模式领域,曙光经过多年实践,积累了丰富的系统安装调试经验,并与数值预报领域领先的专业软件厂商保持了密切的合作,为用户提供国内最专业、最佳用户体验的空气质量数值预报业务化平台。

曙光公司还将跟中国科学院大气物理研究所密切合作,为环境监测总站用户在该硬件系统上搭建国内目前最专业的空气质量数值模式系统和预报预警业务化平台。该项目建成后,环境监测总站预报预警中心将具备针对京津冀及周边区域大气污染过程不少于未来7天的预报预警和潜势预测能力,以及污染源贡献追因能力,以支持环保部及时制订环境应急措施。

还原清洁空气,拒绝大气污染,曙光助力美丽中国的建设。

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