預測未來、縮小到原子尺度、回到宇宙的誕生：這些看似不可能完成的任務，對於一種特殊的科學家來說，都是日常工作，他們被稱為計算機建模人員。當傳統的實驗研究過於昂貴、危險或耗時而無法實際進行時，計算機模型可以替代，它可以考察從特定政策對環境的影響到單個 DNA 序列產生的多種可能的蛋白質結構等一切事物。然而，模型建立的過程可能非常緩慢，需要花費多年時間。
為了解決這個問題，美國能源部（DOE）建立了一個名為“透過高階計算進行科學發現”（SciDAC）的新計劃，該計劃鼓勵並資助計算機程式碼程式設計師與應用和調整軟體的科學家之間的密切合作。作為一個為期五年的計劃，SciDAC 已經資助了 51 個專案，每年總計 5700 萬美元。
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SciDAC 特別優先考慮的研究領域之一是氣候變化。農業、生態系統和海洋水位都與大氣密不可分——而理解這些過程對於氣候變化的研究以及受這些研究影響的公共政策的制定至關重要。然而，在 SciDAC 計劃之前，不同領域的研究人員之間缺乏牢固的聯絡使得合作變得困難，阻礙並減緩了模型的開發和完善。“SciDAC 的主要好處分為兩大類，”代理主任戴夫·巴德 (Dave Bader) 解釋說。“首先，計算機模擬將作為一種研究工具，為比目前可能更多的研究人員提供。科學家們將不再被迫開發自己的模型來使用模擬作為研究工具。其次，SciDAC 將證明計算機模擬可以產生突破性的基礎科學發現。”
經過兩年的初步規劃和設計，SciDAC 於 2002 年 1 月正式啟動。在弗吉尼亞州雷斯頓舉行的 SciDAC 贊助會議上，應用數學家和計算科學家（程式碼編寫者和硬體開發人員）與“應用”人員（不斷使用和改進計算機模型的人）齊聚一堂。“這兩個小組輪流設定他們的海報，”科羅拉多州立大學大氣科學教授戴夫·蘭德爾 (Dave Randall) 說。“當應用海報展出時，數學和計算科學家們四處尋找‘匹配’，反之亦然。”
會議結束後，來自 20 個國家實驗室和大學的成員組成了 13 個跨學科氣候小組。儘管每位科學家都獨立工作多年並有一些外部合作關係，但之前從未如此密切地合作過。為了進一步加強合作，SciDAC 還啟動了一個名為“科學網格”的新計劃。它以電子方式連線研究人員和研究小組，並允許他們在安全的環境中共享資訊、管理龐大的資料集、共享計算資源以及更快速、更輕鬆地相互通訊。
改進模型
蘭德爾領導的一個研究小組正在從 SciDAC 的資助和鼓勵中受益。他的團隊旨在解決建模中的一個關鍵問題：耦合，即將不同的模型組合在一起，以建立更完整的環境系統圖景。例如，建模研究人員必須將大氣和海洋的重要元素連線在一起，以研究水迴圈或熱交換等過程。然而，由於模型結構不同，使它們協同工作就像將美國電器插入歐洲插座一樣具有挑戰性：可以做到，但這需要付出很多努力和強迫——而且，就模型而言，需要大量的計算能力和處理時間。蘭德爾的團隊正在透過建立一個與大氣模型網格相同的海洋模型來解決這個問題。“使用具有相同形狀的大氣和海洋網格在某種意義上是顯而易見的，但並非所有模型都這樣做，”蘭德爾解釋說。SciDAC 團隊成員正在幫助為蘭德爾的模型建立更快、更高效的程式碼和硬體，這將加快其完成速度。
在 SciDAC 的支援下，另一種正在追求的技術更好地反映了大氣系統的流動性，長期以來，這對建模人員來說一直是一個挑戰。大氣模型也傾向於將大氣表示為一堆僵硬的、靜止的扁平層——這與現實大相徑庭。為了模擬大氣中空氣的向上或向下運動，模型需要大量的處理時間和難以編寫的耗時程式碼。蘭德爾與其他人一起應用了一種新技術，該技術允許各層以逼真的方式彎曲和波動，就像迎風飄揚的旗幟一樣。“使用隨著空氣或水漂移的層——行話是‘準拉格朗日垂直座標’——這個想法已經存在很長時間了——至少 40 年，甚至可以說更久，”蘭德爾說。“但是，在將這個想法應用於實際應用之前，必須克服各種技術問題。這些問題經過數十年的時間逐步得到克服。”
尋求解析度
除了大氣之外，模型還必須包括其他關鍵的地球要素，例如海洋、陸地甚至海冰。這些組成部分中的每一個都需要專家的貢獻，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的鮑勃·馬龍 (Bob Malone) 就是這樣一位專家。馬龍致力於社群氣候系統模型的海洋部分，這是一個跨學科的模擬，他正在努力將模型解析度從僅識別六七個陸地斑點周圍的均勻水體，提高到能夠區分微小的島嶼和手指般的狹窄海灣。
然而，愛荷華州立大學大氣科學教授威廉·古托夫斯基 (William Gutowski) 對解析度問題採取了不同的方法。大多數模型以統一的解析度生成輸出地圖，每當研究人員要求更精細的細節時，都需要大大提高計算能力。相反，古托夫斯基使用了類似於在地圖的特定區域上放置放大鏡的技術。“這裡的問題是，在氣候建模中，高解析度和可接受的計算成本（主要是模擬所需的時間）之間總是存在權衡，”古托夫斯基解釋說。“我們試圖做的是僅在最必要的地方提高解析度。”古托夫斯基和他的同事、愛荷華州立大學機械工程教授喬·普魯薩 (Joe Prusa) 並不是第一個這樣做的。但他們是第一批允許放大鏡隨著被建模的現象移動的人，這個過程被稱為“動態網格拉伸”。“即使這也不是什麼新鮮事，”古托夫斯基承認。“動態網格拉伸在工程的某些領域中一直在考慮，並且一度也曾用於短期大氣模擬。像大多數科學一樣，我們正在以前的工作基礎上進行構建。”
即使在開發方面取得了進展，改進計算機模型的科學有時也會讓人感覺像是在摸著石頭過河的科學。“不可能有完美模型的秘訣，”佐治亞理工學院地球與大氣科學學院的氣候建模師羅伯特·迪金森 (Robert Dickinson) 指出。“問題在於，自然是無限複雜的，因此任何模型都必須簡化。我們對簡化內容的判斷包括一定程度的猜測。隨著我們對系統的瞭解更加深入，並集體能夠更好地看到什麼是重要的，我們會繼續新增更多功能來取得進展。”古托夫斯基補充說：“問題在於，地球的氣候系統涉及無數相互關聯的非線性過程。人們至少需要知道地球氣候系統中每個粒子的確切狀態，量子力學告訴我們這是我們不可能知道的。此外，一個過程中一個微小的錯誤幾乎總是會放大並蔓延到其他過程中，從而消除完美。”
儘管如此，建模人員仍然抱有希望。“錯誤似乎並不大，足以阻止近似表示，”古托夫斯基說。“這就是氣候科學家一直在努力的方向——改進近似。”
Rachael Moeller 總部位於馬薩諸塞州。她在布朗大學獲得了環境研究碩士學位。