减少浮点精度的气候变化建模与随机四舍五入
摘要：减少精确度浮点运算现在已经常用于短时间尺度的数值天气预报中。然而，这些减少精确度的技术对于长时间尺度的气候模拟，特别是那些试图描述动态变化的气候的模拟，其适用性仍然不清楚。我们使用名为SPEEDY的全球大气层次模型对一个可变气候系统进行模拟，该气候系统受到增加的CO2浓度的影响，模拟时间尺度为100年，用以探究这个问题。尽管双精度通常是气候模拟的操作标准，但我们发现减少精确度的解（Float32，Float16）的准确性足够。将有限精度浮点数进行随机舍入，而不是使用更常见的“四舍五入”技术，显著改善了减少精确度解的性能。在100年时间内，相对于双精度解，全球平均地表温度（降水）的平均偏差误差（MBE）在单精度上为+2e-4 K（-8e-5 mm/6hr），在半精度上为-3.5e-2 K（-1e-2 mm/6hr），而包含随机舍入则将半精度误差降至+1.8e-2 K（-8e-4 mm/6hr）。通过研究在100年之后产生的气候分布，我们发现相对于双精度解，全球地表温度的期望值相差最大不超过5e-3 K，而降水的期望值最大不超过8e-4 mm/6h，当以半精度加随机舍入的方式进行数值积分时。还探讨并讨论了由于包含随机舍入而显著改善的模型区域。[摘要缩编]
作者：Tom Kimpson, E. Adam Paxton, Matthew Chantry, Tim Palmer
论文ID：2207.14598
分类：Atmospheric and Oceanic Physics
分类简称：physics.ao-ph
提交时间：2023-05-17