计算能力一直都是限制数值模式发展的因素之一。无论是研究中小尺度过程还是全球气候变化,天气都是人类生活无法忽视的影响因素。准确预报台风,海啸,龙卷风等事件,能够提前防范,从而尽可能降低造成的危害。而GPU(Graphics Processing Unit)的出现加速了数值计算并且改善了数值预报的准确度。

GPU是一种图形处理器,目前广泛应用于需要大量浮点计算的领域。2007年,NVIDIA率先推出了GPU加速器,并且随后广泛应用于各个领域。涉及到大量计算的气象领域(尤其是气候和天气数值模拟)更加需要提高计算效率和准确度。

关于GPU和CPU的区别,网上有很多进行了说明文章进行了说明。简单点说,如果CPU是只有一只笔芯的笔,那么GPU就是拥有更多只笔芯的笔。就像你小时候抄作业用手里握着多支笔抄==

请观看以下比较 CPU 和 GPU 的有趣视频片段:

 查看下列视频片段,即可看到 CPU 与 GPU 之间有意思的对比。 视频:Mythbusters 演示:GPU 与 CPU (01:34)


目前,已有很多气象领域机构(比如NCAR)在和NVIDIA合作,利用GPU加速数值模式等应用。

![GPU加速](https://github.com/bugsuse/blogpic/blob/master/GPU%E5%8A%A9%E5%8A%9B%E6%95%B0%E5%80%BC%E6%A8%A1%E5%BC%8F/applications-3.png?raw=true) ![0](https://github.com/bugsuse/blogpic/blob/master/GPU%E5%8A%A9%E5%8A%9B%E6%95%B0%E5%80%BC%E6%A8%A1%E5%BC%8F/applications.png?raw=true)
NVIDIA气象领域应用

从2008年开始,已有研究者开始利用GPU加速WRF模式,主要集中在微物理,长短波辐射等部分。关于微物理参数化方案(WSM5)的测试给出了测试结果,从整体上来说,利用GPU可以明显提高模式的运行速度。

下图是利用CPU和GPU执行相同程序后的测试结果:

WSM5方案测试结果
WSM5方案测试结果

源码在这里,感兴趣的可以看看,但是如果要编译运行,除了常规依赖之外,还需要安装CUDA,最重要的是你要有GPU支持。更详细的内容在这里

除了上述提到的小部分测试之外,还有很多模式方案的迁移测试正在进行或已经完成。但是要将WRF模式整体支持GPU并且发布可能还需要很长一段时间。

对于研究龙卷风等小尺度强对流过程或者那些涉及到大量计算的工作来说,可以了解一下GPU加速计算或者开始GPU编程。

参考: 1. http://www.nvidia.com/object/weather.html 2. https://www.nvidia.com/content/gpu-applications/PDF/gpu-applications-catalog.pdf 3. http://www.nvidia.com/object/national_center_for_atmospheric_research.html 4. http://www.nvidia.cn/object/what-is-gpu-computing-cn.html 5. http://stormscale.io/the-futureof-massive-computing-the-gpu/ 6. https://www.ecmwf.int/sites/default/files/elibrary/2016/16827-nvidia-hpc-directions-earth-system-models.pdf 7. https://www2.cisl.ucar.edu/sites/default/files/PoseyNVIDIA_NCAR_MC_Workshop_Public.pdf 8. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/WG2/GPU/ 9. https://www.zhihu.com/question/19903344