Климатический цифровой двойник Земли – революцию в прогнозах климата

Климатический цифровой двойник Земли - революцию в прогнозах климата

При разрешении в 1 километр климатическая модель (слева) почти неотличима от реальности (справа).

Европейский Союз завершает разработку планов по созданию амбициозного цифрового двойника планеты Земля, который с непревзойденной точностью имитирует атмосферу, океаны, ледяные покровы и сушу, обеспечивая прогнозы наводнений, засух и пожаров на несколько дней или лет вперед. Destination Earth, как называется этот проект, не остановится на достигнутом: он также попытается запечатлеть поведение человека, позволив всем увидеть влияние погоды и изменения климата на общество и оценить влияние различных климатических особенностей.

“Это действительно смелая миссия, и мне она очень нравится”, – говорит Руби Линг, климатолог из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории министерства энергетики США. Визуализируя атмосферу планеты в коробках размером до 1 километра, в масштабе, во много раз более точном, чем существующие климатические модели, Destination Earth может основывать свои прогнозы на гораздо более детальных данных в реальном времени, чем когда-либо прежде. Проект, который будет подробно описан на двух семинарах в конце этого месяца, начнется в следующем году и будет работать на одном из трех суперкомпьютеров, которые Европа разместит в Финляндии, Италии и Испании.

Destination Earth стала порождением Extreme Earth, предложенной Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) для флагманской исследовательской программы стоимостью в миллиард евро. Европейский Союз в конечном итоге отменил флагманскую программу, но сохранил интерес к этой идее. Опасения, что Европа отстает от Китая, Японии и США в области суперкомпьютеров, привели к созданию Европейского совместного предприятия по высокопроизводительным вычислениям, инвестиции в которое составили 8 миллиардов евро, что подготовило почву для возможных “экзафлопсных” машин, способных генерировать 1 миллиард миллиардов вычислений в секунду. Проект Extreme Earth предлагает идеальное использование такого рода энергии. “Он будет любить вашу цифровую инфраструктуру”, – говорит Питер Бауэр, заместитель директора по исследованиям ECMWF, который координировал Extreme Earth и консультировал Европейский союз по новой программе.

Типичные климатические модели работают на расстоянии 50 или 100 километров. Даже самые лучшие из них, такие как “европейская” модель ECMWF, работают на расстоянии 9 километров. Разрешение новой модели в 1 км позволит ей непосредственно отображать конвекцию, вертикальный теплообмен, критический для формирования облаков и штормов, а не полагаться на алгоритмические аппроксимации. “Я называю это третьим измерением моделирования климата”, – говорит Бьорн Стивенс, климатолог из Метеорологического института Макса Планка. Модель также будет моделировать океан достаточно подробно, чтобы уловить поведение закрученных вихрей, которые являются важными двигателями тепла и углерода.

В Японии ранние запуски глобальной климатической модели протяженностью 1 км показали, что прямое моделирование штормов и вихрей приводит к более точным краткосрочным прогнозам осадков. Но это также должно улучшить климатические прогнозы на периоды нескольких месяцев и лет. Недавние исследования показали, что климатические модели не могут отразить предсказуемые изменения в характере ветра, которые вызывают колебания региональной температуры и осадков, вероятно, потому, что модели не могут имитировать штормы и вихри.

Высокое разрешение также позволит Destination Earth основывать свои прогнозы на более детальных данных. Метеорологические модели используют данные о температуре и давлении со спутников, метеостанций, самолетов и буев для их моделирования. Но грубые сетки означают, что модели не могут ассимилировать измерения, которые не усреднены или которые охватывают большие области, такие как трещины, которые появляются в толще льдов. По словам Сандрин Бони, ученого-климатолога из Института Пьера Симона Лапласа, Destination Earth заполняет этот пробел. – “Допустимые масштабы ближе к измеряемым.”

Модель также будет включать данные в реальном времени, показывающие загрязнение воздуха, рост сельскохозяйственных культур, лесные пожары и другие явления, которые, как известно, влияют на погоду и климат, говорит Франсиско Доблас-Рейес, ученый по системам Земли в Барселонском суперкомпьютерном центре. “Если вулкан извергается завтра, это важно из-за риска отсутствия осадков в течение нескольких месяцев. “И он будет анализировать данные об обществе, такие как потребление энергии, модели перемещения людей (отслеживаемые мобильными телефонами).

Цель состоит в том, чтобы дать возможность непосредственно оценить, как изменение климата повлияет на общество и как общество может изменить траекторию изменения климата. Например, модель может предсказать, как изменение климата повлияет на сельское хозяйство и миграционные процессы в Бразилии, и как сокращение субсидий на этанол может ограничить вырубку лесов в Амазонии. В настоящее время климатологи извлекают региональные результаты из глобальных климатических моделей и передают их экспертам в области сельского хозяйства или экономики, чтобы понять их влияние на поведение человека. Теперь, по словам Эрин Кофлан де Перес, климатолога из климатического центра Красного Креста и Красного Полумесяца, разработчики моделей “переходят от простого предсказания погоды к тому, что она будет делать.”

Суперкомпьютеры Exascale используют как традиционные компьютерные чипы, так и графические процессоры (GPU) для эффективной обработки интенсивных вычислений. Графические процессоры хороши для параллельного запуска компонентов модели и обучения алгоритмов искусственного интеллекта, которые Destination Earth будет использовать для повышения производительности. Но старый код моделирования климата придется переделать. ECMWF имеет преимущество: он адаптировал свою прогнозную модель к среде с графическим процессором и протестировал ее с разрешением 1 км в прошлом году в течение 4 месяцев моделирования на американском суперкомпьютере, который был самым быстрым в мире до недавнего времени, затмеваемый японской машиной.

Сам объем данных, генерируемых моделью, будет отдельным вопросом. Когда японская команда провела эксперимент в масштабе 1 км, потребовалось шесть месяцев, чтобы извлечь что-то полезное из данных за пару дней, говорит Доблас-Рейес. – “Когда мы пытаемся получить доступ к данным и сделать что-то умное с ними, возникают вопросы.” Но Большая часть Destination Earth будет решать эту проблему, разрабатывая способы анализа результатов моделирования в реальном времени.

По словам Бауэра Destination Earth будет работать в нескольких временных масштабах. Отчет по одному будет почти ежедневно, возможно, ориентируясь на отдельные экстремальные погодные явления в прогнозе в течение нескольких недель или месяцев. Запуски в другом режиме – долгосрочные прогнозы, отчеты будут менее частыми: возможно, климатические прогнозы на десятилетие будут делаться каждые шесть месяцев или около того. “Если это сработает, это может стать моделью для других стран”, – говорит Бауэр.

Европейцы не одиноки в планировании климатических изменений. “Мы также движемся в этом направлении, но мы еще не достигли такого уровня усилий”, – говорит Линг, который является главным научным сотрудником климата Земля Министерства энергетики США.

Стивенс говорит, что очень интересно быть вовлеченным в действительно планетарную информационную систему, которая может раскрыть не только пресловутый эффект бабочки на погоду и климат, но и то, как местные действия человека влияют на климатические изменения по всему миру. “Это история глобализации. Такова история антропоцена. И это научная платформа, которая позволит вам изучать их.”

Читайте также: