211service.com
Jak dwa nowe superkomputery poprawią prognozy pogody
Każde z ulepszeń wprowadzonych przez US National Weather Service ma rozmiar 10 lodówek, ma pojemność 12,1 petaflopsów i pomoże przewidzieć burze nasilone przez zmiany klimatyczne.
27 października 2021
Daniel Zender
Kiedy huragan Michael wylądował na wybrzeżu Zatoki Perskiej na Florydzie w październiku 2018 r., był to sztorm kategorii 5, z prędkością wiatru przekraczającą 150 mil na godzinę. Amerykańskie Narodowe Centrum Huragan początkowo przewidywało, że osiągną mniej niż połowę tego.
Michael przeszedł proces zwany gwałtowną intensyfikacją, w którym huragan rozwija znacznie większą prędkość wiatru w krótkim czasie. A eksperci tego nie przewidzieli.
Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2021 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Przewidywanie chaosu będącego centrum huraganu i zrozumienie, jak nasilają się sztormy, wciąż jest wyzwaniem dla prognostów. Ale uzbrojeni w lepsze modele i większe doświadczenie, trafnie przewidzieli, że huragan Ida, który uderzył w Nowy Orlean we wrześniu tego roku, gwałtownie się nasili, chociaż burza wzmogła się jeszcze bardziej, niż się spodziewali.
Superkomputery są częścią tych ulepszeń w przewidywaniu, gdzie, kiedy i jak mogą uderzyć burze. Do końca 2021 r. amerykańska National Weather Service (NWS) otrzyma dwa zupełnie nowe superkomputery. Jego ulepszenie mają nadzieję, że będą kontynuować stały marsz w kierunku dokładniejszych prognoz, które staną się jeszcze bardziej istotne, ponieważ zmiany klimatyczne nadal napędzają intensywniejsze burze.
Agencja użyje nowych maszyn do prognozowania operacyjnego — systemu, którego używają prognostycy do tworzenia prognoz, takich jak te w wieczornych wiadomościach. Gdy agencja w pełni je sprawdzi, prawdopodobnie w lipcu 2022 r., nowe superkomputery powinny pomóc meteorologom lepiej przewidzieć wszystko, od szansy na deszcz w Denver po szanse, że huragan uderzy w Miami.
Każdy superkomputer (jeden w Wirginii i jeden w Arizonie, więc zawsze jest kopia zapasowa) ma rozmiar około 10 lodówek i ma pojemność 12,1 petaflopsa. Flops oznacza operacje zmiennoprzecinkowe na sekundę, więc 12,1 petaflopsa oznacza, że superkomputery mogą wykonać nieco ponad 12 biliardów obliczeń na sekundę. To ogromna aktualizacja — prawie trzykrotnie większa niż stary system — i będzie kosztować około 300 do 500 milionów dolarów w ciągu następnej dekady.
Na początku mojej kariery wiele razy coś uderzało bez ostrzeżenia, ponieważ technologia nie była tak dobra, a ostrzeżenia nie zawsze były tak dokładne, mówi Stefkovich. Już tego nie widzisz.
Ulepszenia mocy obliczeniowej to duży element ostatnich ulepszeń w prognozach ścieżki i intensywności huraganu, mówi Michael Brennan , szef Specjalistycznej Jednostki Huragan w National Hurricane Center.
Prognozy, takie jak te, które publikuje zespół Brennan, są tworzone przez ludzi, którzy sortują różne modele i decydują, jak zsyntetyzować informacje.
Projekcje tras huraganów stawały się coraz dokładniejsze w ciągu ostatnich 30 lat w miarę ulepszania wielkoskalowych modeli pogody i obsługujących je komputerów. Średnie błędy w przewidywaniach ścieżki huraganu spadły z około 100 mil w 2005 r. do około 65 mil w 2020 r. Różnica może wydawać się niewielka, gdy burze mogą mieć setki mil szerokości, ale jeśli chodzi o przewidywanie, gdzie uderzą najgorsze skutki huraganu, każde małe poruszenie ma znaczenie, mówi Brennan.
Zrozumienie i przewidywanie intensywności huraganów było trudniejsze niż przewidywanie ich trasy, ponieważ siła huraganu zależy od bardziej lokalnych czynników, takich jak prędkość wiatru i temperatura w centrum burzy. Mimo to prognozy dotyczące intensywności również zaczęły się poprawiać w ostatniej dekadzie. Błędy w prognozie intensywności w ciągu 48 godzin zmniejszyły się o 20% do 30% w latach 2005-2020.
Prognozy zasilające
Mówi, że budując modele do przewidywania czegoś tak skomplikowanego, jak pogoda, łatwo jest wysysać dodatkowe zasoby komputera Brian Gross , dyrektor Centrum Modelowania Środowiska NWS.
Każdy z superkomputerów NWS, przy 12,1 petaflopach, jest około 150 000 razy wydajniejszy od zwykłego laptopa.
Modele mogą korzystać z mocy obliczeniowej na wiele sposobów, a każdy model może szybko zużywać ogromne ilości pojemności. Model może stać się bardziej złożony, przetrawiając więcej informacji lub używając bardziej skomplikowanej fizyki, aby lepiej reprezentować świat. W modelu pogodowym może to oznaczać więcej szczegółów na temat procesów zachodzących w oceanie, biorąc pod uwagę częstotliwość huraganów.
Większa moc obliczeniowa może również umożliwić modelowi uzyskanie większej dokładności geograficznej. Modele pogody działają, dzieląc kulę ziemską na kilka części i próbując obliczyć, co się stanie w każdym z nich. Model o wyższej rozdzielczości rozbije kulę ziemską na mniejsze fragmenty, co oznacza, że jest ich więcej do rozważenia.
Wreszcie badacze mogą stworzyć tak zwany model zespołowy, który uruchamiają nawet 20 lub 30 razy. Każdy z tych przebiegów jest wykonywany w nieco innych warunkach, aby zobaczyć, jak różnią się prognozy. Wyniki są następnie sumowane i rozpatrywane razem.
Powiązana historia
Poprosiliśmy laureata Nagrody Nobla Billa Gatesa i innych o wskazanie najskuteczniejszego sposobu walki ze zmianami klimatu Ich odpowiedzi obejmowały rosnące ceny emisji dwutlenku węgla, przełomy w zakresie przechowywania, księżycowy strzał fuzyjny i wiele innych.
Prawdopodobnie widziałeś modele zespołowe w prognozach huraganów. Weźmy pod uwagę burzę, która zaczyna się na Oceanie Atlantyckim. Jeśli prognoza zbiorcza zawiera wiele różnych wyników, z burzą zmierzającą do Teksasu w niektórych, a omijającą wschodnie wybrzeże w innych, ma wiele prawdopodobnych ścieżek. Ale jeśli wszyscy członkowie zespołu pokażą, jak burza uderza w wybrzeże Zatoki Perskiej na Florydzie, prognostycy mogą być bardziej pewni, gdzie wyląduje.
Poprzednie modernizacje superkomputerów doprowadziły do ulepszeń w wielu obszarach w przypadku niektórych modeli, takich jak uniwersalny Globalny system prognozowania zespołowego (GEFS). W 2018 roku, kiedy system był aktualizowany po raz ostatni, NWS zwiększył rozdzielczość z 34 kilometrów do 25 kilometrów, a liczbę modeli w zestawie z 21 do 31.
Zmiany i wynikająca z nich dokładność prognoz ułatwiły życie urzędnikom takim jak Jim Stefkovich , meteorolog z Agencji Zarządzania Kryzysowego w Alabamie, który pomaga rządowi stanowemu przygotować się na zagrożenia pogodowe. Na początku mojej kariery wiele razy coś uderzało bez ostrzeżenia, ponieważ technologia nie była tak dobra, a ostrzeżenia nie zawsze były tak dokładne, mówi Stefkovich. Już tego nie widzisz.
Ale nawet dzisiaj sygnały z prognoz pogody nie zawsze są jasne dla opinii publicznej, które mogą nie być dostrojone do każdej burzy lub mogą nie rozumieć różnicy między obserwacją burzy (oczekiwane są niebezpieczne warunki) a ostrzeżeniem przed burzą (oni' już zaobserwowano). Jeśli ludzie nie wiedzą, jak zareagować, lepsza prognoza tak naprawdę nie pomoże im zachować bezpieczeństwa, mówi Stefkovich.
To wydarzyło się podczas Idy, mówi. Prognozy dotyczące drogi burzy i jej siły były dokładne kilka dni wcześniej. Ale częściowo z powodu słabej komunikacji dziesiątki ludzi straciły życie, a miliony straciły prąd lub zniszczyły swoje domy lub samochody.
Zmiana klimatu oznacza, że ryzyko ekstremalnych warunków pogodowych prawdopodobnie się pogorszy. Prognozy mają nadzieję, że lepsze prognozy, przekazywane we właściwy sposób, mogą pomóc ludziom w podejmowaniu lepszych decyzji, gdy nadejdą burze.