Clouds, especially low clouds, are crucial for regulating Earth's energy balance and mediating the response of the climate system to changes in greenhouse gas concentrations. Despite their importance for climate, they remain relatively poorly understood and are inaccurately represented in climate models. A principal reason is that the high computational expense of simulating them with large-eddy simulations (LES) has inhibited broad and systematic numerical experimentation and the generation of large datasets for training parametrization schemes for climate models. Here we demonstrate LES of low clouds on Tensor Processing Units (TPUs), application-specific integrated circuits that were originally developed for machine learning applications. We show that TPUs in conjunction with tailored software implementations can be used to simulate computationally challenging stratocumulus clouds in conditions observed during the Dynamics and Chemistry of Marine Stratocumulus (DYCOMS) field study. The TPU-based LES code successfully reproduces clouds during DYCOMS and opens up the large computational resources available on TPUs to cloud simulations. The code enables unprecedented weak and strong scaling of LES, making it possible, for example, to simulate stratocumulus with $10\times$ speedup over real-time evolution in domains with a $34.7~\mathrm{km} \times 53.8~\mathrm{km}$ horizontal cross section. The results open up new avenues for computational experiments and for substantially enlarging the sample of LES available to train parameterizations of low clouds.


翻译:云,尤其是低云,对于调节地球能量平衡以及介导气候系统对温室气体浓度变化的响应至关重要。尽管其对气候具有重要意义,但人们对它们的理解仍相对有限,且在气候模型中的表征存在不准确性。主要原因在于,使用涡旋解析数值模拟(LES)模拟云的高昂计算成本,阻碍了广泛而系统的数值实验,以及为气候模型训练参数化方案所需的大型数据集的生成。在此,我们展示了在张量处理单元(TPU)上对低云进行LES的成果——TPU是一种最初为机器学习应用开发的专用集成电路。我们证明,TPU结合定制化的软件实现,可用于模拟在海洋层积云动力学与化学(DYCOMS)实地研究中所观测到的计算上具有挑战性的层积云条件。基于TPU的LES代码成功再现了DYCOMS期间的云,并为云模拟开启了TPU上可用的巨大计算资源。该代码实现了LES前所未有的弱扩展和强扩展能力,使得例如在水平截面为34.7公里×53.8公里的区域内,以超过实时演变10倍的速度模拟层积云成为可能。这些结果为计算实验以及大幅扩充可用于训练低云参数化方案的LES样本开辟了新途径。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年10月6日
Arxiv
0+阅读 · 2023年10月5日
Arxiv
0+阅读 · 2023年10月5日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
VIP会员
最新内容
超越网格:作战环境对炮兵的影响
专知会员服务
2+阅读 · 5月31日
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
6+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
7+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
19+阅读 · 5月30日
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
11+阅读 · 5月30日
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
专知会员服务
11+阅读 · 5月30日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员