密歇根大學研究人員使用Frontera超級計算機來改進空間天氣預報系統(tǒng)，避免極端 空間天氣 事件的最壞影響。 上一次重大的空間天氣事件在1859年襲擊了地球，但是破壞度較小的空間天氣事件經(jīng)常發(fā)生。

這些事件會炸毀電子產(chǎn)品和電網(wǎng)，擾亂全球定位系統(tǒng)，導致北極光的范圍發(fā)生變化，并提高宇航員或穿越兩極飛機乘客的輻射風險。如果像1859年那樣的極端事件再次發(fā)生，它將完全摧毀電網(wǎng)、衛(wèi)星和通信系統(tǒng)。

在白宮國家空間天氣戰(zhàn)略和行動計劃以及國家戰(zhàn)略計算倡議的推動下，2020年，美國國家科學基金會（NSF）和美國國家航空航天局創(chuàng)建了空間天氣與量化不確定性（SWQU）計劃。它匯集了來自各學科的研究團隊，在空間天氣建模領域內(nèi)推進最新的統(tǒng)計分析和高性能計算方法。

這個計劃是六個項目的組合，其中包括Gabor Toth的項目，不僅有領先的大學團體參與，而且還有NASA中心、國防部和能源部國家實驗室，以及私營部門。Gabor Toth幫助開發(fā)了當今卓越的空間天氣預測模型，該模型被美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）用于業(yè)務預測。2021年2月3日，NOAA開始使用Geospace模型2.0版，這是密歇根大學空間天氣建?？蚣艿囊徊糠?，用于預測地磁干擾。

Geospace模型2.0版主要變化是細化了磁層的數(shù)值網(wǎng)格，對算法進行了若干改進，并對經(jīng)驗參數(shù)進行了重新校準。Geospace模型是基于對地球空間環(huán)境的全球表述，其中包括磁流體動力學，像等離子體這樣的導電流體與磁場相互作用的特性和行為，這在空間天氣的動力學中起著關鍵作用。Geospace模型預測了地球空間與太陽風相互作用所產(chǎn)生的地面上磁擾動。這樣的磁擾動會誘發(fā)地電場，從而損害大規(guī)模的電導體，如電網(wǎng)。

該模型發(fā)出的短期預警為電網(wǎng)運營商提供了關于有害電流的預報，并允許它們有時間來緩解問題和維護電網(wǎng)的完整性。盡管Geospace模型很先進，但它只提供了大約30分鐘的預先警告。現(xiàn)在團隊致力于將提前量增加到1至3天，這樣做意味著了解太陽表面的活動如何導致可能影響地球的事件。

改善空間天氣預報的提前量需要新的方法和算法，這些方法和算法的計算速度遠遠超過今天使用的方法和算法，并且可以在高性能計算機上有效部署。Gabor Toth使用德克薩斯高級計算中心的Frontera超級計算機來開發(fā)和測試這些新方法。其中，一個關鍵的算法改進涉及在一個模擬模型中結(jié)合等離子體的動力學和流體細節(jié)，研究者通過發(fā)明智能近似值和算法，比粗暴的模擬快了一百萬倍，這可以使Geospace模型預測速度加快10到100倍。

Gabor Toth團隊一直在努力使空間天氣建?？蚣茉谖磥淼某売嬎銠C上高效運行，這些超級計算機嚴重依賴圖形處理單元（GPU）。作為第一個目標，他們著手使用帶有OpenACC指令的英偉達Fortran編譯器將Geospace模型移植到GPU。他們最近設法在單個GPU上以更快的速度運行整個Geospace模型。他們使用支持GPU的Longhorn機器來達到這一里程碑。在傳統(tǒng)的超級計算機上以同樣的速度運行該模型需要至少100個CPU核心。