预测未来、缩小到原子尺度、回到宇宙的诞生：这些看似不可能完成的任务，对于一种特殊的科学家来说，都是日常工作，他们被称为计算机建模人员。当传统的实验研究过于昂贵、危险或耗时而无法实际进行时，计算机模型可以替代，它可以考察从特定政策对环境的影响到单个 DNA 序列产生的多种可能的蛋白质结构等一切事物。然而，模型创建的过程可能非常缓慢，需要花费多年时间。
为了解决这个问题，美国能源部（DOE）创建了一个名为“通过高级计算进行科学发现”（SciDAC）的新计划，该计划鼓励并资助计算机代码程序员与应用和调整软件的科学家之间的密切合作。作为一个为期五年的计划，SciDAC 已经资助了 51 个项目，每年总计 5700 万美元。
一个更好的改变
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SciDAC 特别优先考虑的研究领域之一是气候变化。农业、生态系统和海洋水位都与大气密不可分——而理解这些过程对于气候变化的研究以及受这些研究影响的公共政策的制定至关重要。然而，在 SciDAC 计划之前，不同领域的研究人员之间缺乏牢固的联系使得合作变得困难，阻碍并减缓了模型的开发和完善。“SciDAC 的主要好处分为两大类，”代理主任戴夫·巴德 (Dave Bader) 解释说。“首先，计算机模拟将作为一种研究工具，为比目前可能更多的研究人员提供。科学家们将不再被迫开发自己的模型来使用模拟作为研究工具。其次，SciDAC 将证明计算机模拟可以产生突破性的基础科学发现。”
经过两年的初步规划和设计，SciDAC 于 2002 年 1 月正式启动。在弗吉尼亚州雷斯顿举行的 SciDAC 赞助会议上，应用数学家和计算科学家（代码编写者和硬件开发人员）与“应用”人员（不断使用和改进计算机模型的人）齐聚一堂。“这两个小组轮流设置他们的海报，”科罗拉多州立大学大气科学教授戴夫·兰德尔 (Dave Randall) 说。“当应用海报展出时，数学和计算科学家们四处寻找‘匹配’，反之亦然。”
会议结束后，来自 20 个国家实验室和大学的成员组成了 13 个跨学科气候小组。尽管每位科学家都独立工作多年并有一些外部合作关系，但之前从未如此密切地合作过。为了进一步加强合作，SciDAC 还启动了一个名为“科学网格”的新计划。它以电子方式连接研究人员和研究小组，并允许他们在安全的环境中共享信息、管理庞大的数据集、共享计算资源以及更快速、更轻松地相互通信。
改进模型
兰德尔领导的一个研究小组正在从 SciDAC 的资助和鼓励中受益。他的团队旨在解决建模中的一个关键问题：耦合，即将不同的模型组合在一起，以创建更完整的环境系统图景。例如，建模研究人员必须将大气和海洋的重要元素连接在一起，以研究水循环或热交换等过程。然而，由于模型结构不同，使它们协同工作就像将美国电器插入欧洲插座一样具有挑战性：可以做到，但这需要付出很多努力和强迫——而且，就模型而言，需要大量的计算能力和处理时间。兰德尔的团队正在通过创建一个与大气模型网格相同的海洋模型来解决这个问题。“使用具有相同形状的大气和海洋网格在某种意义上是显而易见的，但并非所有模型都这样做，”兰德尔解释说。SciDAC 团队成员正在帮助为兰德尔的模型创建更快、更高效的代码和硬件，这将加快其完成速度。
在 SciDAC 的支持下，另一种正在追求的技术更好地反映了大气系统的流动性，长期以来，这对建模人员来说一直是一个挑战。大气模型也倾向于将大气表示为一堆僵硬的、静止的扁平层——这与现实大相径庭。为了模拟大气中空气的向上或向下运动，模型需要大量的处理时间和难以编写的耗时代码。兰德尔与其他人一起应用了一种新技术，该技术允许各层以逼真的方式弯曲和波动，就像迎风飘扬的旗帜一样。“使用随着空气或水漂移的层——行话是‘准拉格朗日垂直坐标’——这个想法已经存在很长时间了——至少 40 年，甚至可以说更久，”兰德尔说。“但是，在将这个想法应用于实际应用之前，必须克服各种技术问题。这些问题经过数十年的时间逐步得到克服。”
寻求分辨率
除了大气之外，模型还必须包括其他关键的地球要素，例如海洋、陆地甚至海冰。这些组成部分中的每一个都需要专家的贡献，洛斯阿拉莫斯国家实验室的鲍勃·马龙 (Bob Malone) 就是这样一位专家。马龙致力于社区气候系统模型的海洋部分，这是一个跨学科的模拟，他正在努力将模型分辨率从仅识别六七个陆地斑点周围的均匀水体，提高到能够区分微小的岛屿和手指般的狭窄海湾。
然而，爱荷华州立大学大气科学教授威廉·古托夫斯基 (William Gutowski) 对分辨率问题采取了不同的方法。大多数模型以统一的分辨率生成输出地图，每当研究人员要求更精细的细节时，都需要大大提高计算能力。相反，古托夫斯基使用了类似于在地图的特定区域上放置放大镜的技术。“这里的问题是，在气候建模中，高分辨率和可接受的计算成本（主要是模拟所需的时间）之间总是存在权衡，”古托夫斯基解释说。“我们试图做的是仅在最必要的地方提高分辨率。”古托夫斯基和他的同事、爱荷华州立大学机械工程教授乔·普鲁萨 (Joe Prusa) 并不是第一个这样做的。但他们是第一批允许放大镜随着被建模的现象移动的人，这个过程被称为“动态网格拉伸”。“即使这也不是什么新鲜事，”古托夫斯基承认。“动态网格拉伸在工程的某些领域中一直在考虑，并且一度也曾用于短期大气模拟。像大多数科学一样，我们正在以前的工作基础上进行构建。”
即使在开发方面取得了进展，改进计算机模型的科学有时也会让人感觉像是在摸着石头过河的科学。“不可能有完美模型的秘诀，”佐治亚理工学院地球与大气科学学院的气候建模师罗伯特·迪金森 (Robert Dickinson) 指出。“问题在于，自然是无限复杂的，因此任何模型都必须简化。我们对简化内容的判断包括一定程度的猜测。随着我们对系统的了解更加深入，并集体能够更好地看到什么是重要的，我们会继续添加更多功能来取得进展。”古托夫斯基补充说：“问题在于，地球的气候系统涉及无数相互关联的非线性过程。人们至少需要知道地球气候系统中每个粒子的确切状态，量子力学告诉我们这是我们不可能知道的。此外，一个过程中一个微小的错误几乎总是会放大并蔓延到其他过程中，从而消除完美。”
尽管如此，建模人员仍然抱有希望。“错误似乎并不大，足以阻止近似表示，”古托夫斯基说。“这就是气候科学家一直在努力的方向——改进近似。”
Rachael Moeller 总部位于马萨诸塞州。她在布朗大学获得了环境研究硕士学位。