Superkomputer od pogody

Jak bardzo złożonym procesem jest modelowanie klimatu, świadczy już choćby to, że w Hadley Centre for Climate Prediction and Research w Bracknell działają dwa komputery Cray T3E. Komputer Cray T3E należy do serii MPP (Massive Parallel Processing). Może mieć wiele setek, a nawet tysięcy procesorów. Obecnie w Hadley Centre są wykorzystywane maszyny z ponad 600 procesorami DEC Alpha każda. Łączna graniczna moc obliczeniowa takiego "obliczeniowego smoka" wynosi 400 Gflops (4 x 109 operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę).

Pamięć takiego komputera nie jest scentralizowana, jak w typowych procesorach, lecz rozproszona. Każdy procesor dysponuje własną, co przys- piesza przetwarzanie, choć utrudnia komunikację. Niestety, programy pracujące na urządzeniach typu MPP muszą być pisane w taki sposób, aby obliczenia mogły być prowadzone maksymalnie równolegle. Specjaliści z Hadley Centre stoją więc przed zadaniem dostosowania kodu źródłowego Modelu zunifikowanego do wymagań komputera tego typu. Proces ten nazywa się paralelizacją kodu i w niewielkim tylko stopniu może być wykonany auto- matycznie.

Modelowanie klimatu za pomocą tak wydajnego komputera pozwala na znaczne zwiększenie dokładności zadawania warunków brzegowych, czyli - mówiąc prościej - na podawanie bliższych punktów pomiarowych i dokładniejszych wyników. Aby sobie uzmysłowić, jak ważna jest odpowiednia "gęstość" danych wejściowych, przypomnijmy atraktor Lorenza. Lokalna zmiana, np. niewinny śnieżek, który pobieli pustkowia północnej Rosji, może spowodować skokową zmianę albedo, gwałtowny spadek temperatury, potem ciśnienia, wreszcie zmianę kierun- ków cyrkulacji powietrza i sztorm na Morzu Północnym. Dzięki zastosowaniu superkomputera Cray T3E udało się zmniejszyć rozmiar "granulki obliczeniowej" (obszaru atmosfery, w którym zakłada się stałe ciśnienie, temperaturę itd.,), a tym samym poprawić dokładność prognoz.

Obliczenia meteorologiczne to zresztą bardzo powszechne zastosowanie superkomputerów. Najpotężniejszym superkomputerem wykorzystywa nym w Europie jest IBM SP Power3, funkcjonujący w niemieckim centrum meteo- rologicznym Deutscher Wetterdienst (10. miejsce na liście największych superkomputerów).

W Warszawie pogodnie

Także w Polsce dynamicznie rozwija się numeryczne modelowanie klimatu. Interdyscyplinarne Centrum Modelowania w Warszawie posiada wersję Modelu zunifikowanego, dostosowaną do powierzchni naszego kraju. Unified Model for Poland Area (UMPL) pokrywa obszar kraju siatką kwadratów o boku 17 km. Codziennie z Bracknell, gdzie mieści się brytyjskie Met Office, jest przysyłanych 28 MB danych, zawierających informacje o warunkach brzegowych w atmosferze. Dane obserwacyjne są przekazywane 8 razy na dobę. Następnie, na podstawie tych danych, model UMPL działający na 16-procesorowym komputerze Cray J916 tworzy numeryczną prognozę pogody na następnych 48 godz.

Wyniki obliczeń są prezentowane na WWW - pod adresemhttp://weather.icm.edu.pl znajduje się serwis pogo- dowy Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania. Mapki i wykresy tam widoczne są tworzone przy użyciu pakietu Vis5D. Warto polecić szczegółowe informacje dostępne po kliknięciu na "kratkę" na obszarze kraju. Początkowo odczytywanie pogody z wykresów modelu numerycznego może się wydać trudniejsze niż typowa prognoza z Wiadomości, Faktów albo Panoramy. Z czasem jednak docenia się fakt, że już na pierwszy rzut oka dostępne są wszystkie potrzebne informacje.

Warszawskie centrum do prognozy dodaje uwagi synoptyka. Taki komentarz bardzo przypomina to, co można usłyszeć w radiu lub telewizji: "Strefa chmurowa tego frontu (chmury wysokie), począwszy od północy znajdzie się za naszą wschodnią granicą" (komentarz sy- noptyka z 2 marca 2002 r.). Jednak wyjątkowe w ICM jest porównanie własnych prognoz z danymi empirycznymi, czego nie robią komercyjne serwisy pogodowe. ICM jako instytucja naukowa (non profit) może pozwolić sobie na bezstronną ocenę uzyskanych wyników. Od roku 2000 wszystkie prognozy są weryfikowane pod kątem ich zgodności ze stanem rzeczywistym za pomocą narzędzi typowych dla metod ilościowych (np. odchylenie, średni błąd kwadratowy), a także pod względem funkcji, które ma spełniać taka prognoza. Warszawskie superkomputery informują służby przeciwpowodziowe kraju, jeżeli z ich obliczeń wynika, że opady będą szczególnie obfite. Wskaźnik ewentualnych "fałszywych alarmów" to także istotny miernik jakości numerycznych prog- noz pogody.

Jakkolwiek Interdyscyplinarne Centrum Modelowania ma sławę jedynej instytucji prognozującej, która przewidziała katastrofalną powódź w 1997 r., to informatycy i meteorolodzy tam zatrudnieni przyznają, że modele numeryczne niezbyt dobrze radzą sobie z przewidywaniem gwałtownych zjawisk klimatycznych. I znowu warto przypomnieć o atraktorze Lorenza i ograniczonej stosowalności modeli numerycznych do złożonego i nadal nie do końca poznanego układu, jakim jest atmosfera ziemska.

Prognoza na jutro

Numeryczne modelowanie klimatu to bardzo efektowne zastosowanie informatyki w służbie człowieka. Za pomocą wydajnych superkomputerów udaje się bardzo dobrze przewidywać pogodę w krótkim czasie i dobrze podać trendy długookresowe. Wzrastająca moc obliczeniowa komputerów i coraz większa gęstość pomiarów pozwoli być może już w niedalekiej przyszłości prowadzić jeszcze dokładniejsze badania.