Погода під контролем: як суперкомп'ютер визначає траєкторію урагану

Руйнівні грози, паводки, цунамі, пожежі, спричинені аномальною спекою, – те, від чого щороку потерпають мільйони людей у різних куточках планети. На жаль, світова спільнота поки не вміє запобігати кліматичним катастрофам, тому єдине, що можна зробити, щоб мінімізувати їхні наслідки, – правильно спрогнозувати місце й силу «удару» природи. Чи впливає потужність комп’ютерів, які залучені до прогнозування погоди, на точність результатів, як відбувається процес аналізу даних і яких змін варто чекати в цьому процесі в найближчі роки, розповів Mind керівник напряму персональних комп’ютерів Lenovo в Україні Микола Антонюк. 

Буденність, без якої складно уявити день сучасної людини

Якщо на ваше місто чи район насувається негода зі снігом та шквалами, ви б хотіли знати про це завчасно, щоб підготуватись? Наприклад, замінити шини, перевірити, чи маєте гумові чоботи, дощовики та парасольки для всієї родини? Більшість напевно відповість «так», адже знати про ситуацію означає хоча б мінімально бути готовими до неї. Українці звикли перевіряти прогноз погоди перед тим, як обрати, що одягнути завтра, планувати вихідні з друзями або збирати валізу у відпустку. Якщо ж очікується негода, то попередження про дощ і сніг точно пролунають із телевізора, радіо та соціальних мереж.

Наприклад, щороку на півночі Атлантики з 1 червня до 30 листопада триває сезон ураганів. Жителі цих територій звикли готуватися до негоди, але довго не могли дізнатися точну дату циклону та його інтенсивність. Так, у 1954 році пройшло 16 тропічних штормів, внаслідок яких загинуло понад 1000 осіб, а загальні збитки сягнули близько $751,6 млн. Упродовж останнього десятиліття точність прогнозів погоди значно покращилася, переважно завдяки наявності обчислювальних ресурсів.

Як суперкомп’ютери допомагають прогнозувати погоду

Найбільш успішною технологією прогнозування погоди вважається прогнозування за допомогою суперкомп’ютерів. Система не даремно має таку назву, адже поєднує в собі потужність тисяч звичайних ПК. Отримуючи завдання, вона розподіляє його між процесорами, які працюють паралельно. Щоб ліпше уявити процес, варто згадати ситуацію, коли в супермаркеті працює тільки одна каса. Відповідно клієнтів обслуговують тільки в одній ланці, але, якщо відкрито кілька кас одночасно, процес проходить паралельно. Так само й до системи суперкомп’ютера надходять мільйони початкових даних від датчиків на метеорологічних супутниках, аеростатах і метеостанціях. За допомогою математичних рівнянь, суперкомп'ютер чисельно вираховує прогнозовану поведінку атмосфери.

Навіть коли в 1950-х роках почали використовувати комп’ютерні розрахунки, прогнози погоди були вкрай неточними через обмежену обчислювальну потужність. Сучасні комп’ютерні системи дозволяють набагато швидше опрацьовувати дані. Наприклад, сервер Lenovo ThinkSystem видає результати обчислень за 15 хвилин. Щоб обробити ту саму кількість даних на комп’ютерних системах 1960-х років знадобилося б майже 600 років.

Звісно, такі потужні апарати потрібні не для того, щоб вирішити, чи є сенс брати завтра парасолю чи ні, а для аналізу глобальних змін в атмосфері. Складно не помітити поступові зміни клімату, які часто можуть бути руйнівними. Паводки, спричинені потужними зливами, пожежі, що посилюються під час спеки, урагани, які змітають все на своєму шляху, несуть реальну небезпеку для життя людей і цілісності їхнього майна. Тому навіть тих результатів, яких вдалося досягти в цій галузі за останні півстоліття, часом недостатньо.

Для максимально точного прогнозування погоди в конкретному регіоні локальні фахівці співпрацюють з інженерами великих компаній, зокрема Lenovo, щоб удосконалити обчислювальну потужність суперкомп’ютерів. Під час роботи з Малайзійським департаментом метеорології (MMD) інженери мали завдання поліпшити точність передачі дрібних деталей на площі в один кілометр і збільшити можливість прогнозування з трьох днів до семи.

Щоб досягти мети, об'єднаній команді необхідно було збільшити обчислювальну потужність у 25 разів. У результаті спільних зусиль працівники MMD зможуть ефективніше запобігати наслідкам поширених у Малайзії конвективних гроз, які приносять сильні дощі, град, вітер і навіть смерчі.

Чого очікувати за 10 років?

Найближчі роки прогнозування погоди розвиватиметься такими самими темпами, що й сфера IT та інші дотичні галузі. Враховуючи загальносвітові тренди, експерти Lenovo визначили три тенденції в прогнозуванні погоди до 2030 року.

• Збільшення обчислювальної потужності. Суперкомп’ютери майбутнього забезпечать таку обчислювальну потужність, що дозволить запускати складніші моделі прогнозування погоди з великою кількістю вхідних даних. До того ж, крім збільшення потужностей, зростатиме й кількість суперкомп’ютерів, залучених до прогнозування погодних змін. Найкращий із нині наявних суперкомп'ютерів може обробити 200 000 трлн операцій за секунду, а уявіть, якщо таких комп’ютерів буде сотні по всьому світу.
• Величезна кількість даних. Здавалося б, для чого потрібні такі високоефективні пристрої? Хіба можливо зібрати настільки багато інформації, щоб змусити надпотужні комп’ютери працювати на повну? Прогнозують, що до 2025 року глобальний обсяг даних досягне 175 зетабайт (ZB). Один ZB дорівнює одному трильйону ГБ, тож якщо спробувати зберегти 175 ZB на дисках Blu-ray, то їхня кількість дорівнювала б відстані від Землі до Місяця. Звісно, збільшення обсягу вхідної інформації зробить прогнозування погоди точнішим, але для обробки цих даних потрібні надпотужні апарати.
• Залучення технологій заснованих на використанні нейромереж. Поліпшення точності та якості прогнозів призводить до збільшення обсягів отриманої інформації, яку вчені чи синоптики мають обробити. Саме машинне навчання може стати проміжною ланкою між суперкомп’ютером і людиною та на початковому рівні допоможе розпізнавати несприятливі погодні явища, як-от торнадо, урагани та шторми. Також подібні технології матимуть значний вплив на швидкість і точність прогнозів погоди. У майбутньому нейромережа зможе в режимі реального часу обробляти нові дані та коригувати прогнози. Крім того, нейромережу вже залучили до кліматичних досліджень щодо мінімізації впливу зміни клімату на екосистему планети.

Якщо сказати слово «суперкомп’ютер», у пересічного жителя планети, найімовірніше, виникнуть асоціації з космічною чи військовою галуззю. Насправді ж, потужні апарати, над якими роками працюють інженери, мають буденне, але все ж важливе значення для кожного. Сучасні розробки допоможуть не тільки відчувати себе комфортно при виході з дому, а й завчасно вживати заходів у випадку наближення екстремальних погодних умов. Прогнозувати погоду більш точно, а отже, дбати про безпеку людей, можна завдяки швидкій обробці більшої кількості інформації та моделюванню атмосферних явищ. Постійно поліпшуючи та модернізуючи суперкомп’ютери, світова спільнота зможе заздалегідь підготуватися до змін погоди та дослідити кліматичні явища.