О климате, суперкомпьютерах и о роли математических вычислений в метеорологическом прогнозе на Всероссийском фестивале NAUKA 0+ рассказал ведущий сотрудник Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М.В.Ломоносова Виктор Степаненко.
©Федор Лавров
Понять механизмы движения в атмосфере человечество пыталось с древних времен. Одним из первых это делал Аристотель: он излагал учения о воде, воздухе, земле и огне, выделял различные виды осадков и рассуждал о течении рек. Ученые Михаил Ломоносов и Дмитрий Менделеев также неоднократно продвигали идею предсказания погоды и необходимости сбора различных данных, относящихся к измерению атмосферы.
Настоящий расцвет метеорологии как науки начался в XX веке с изобретением радиозондов, радиолокаторов и космических спутников. Самым важным изобретением, позволившим давать наиболее точные прогнозы, стали мощнейшие ЭВМ или, по-другому, суперкомпьютеры. Открытия метеорологов, связанные с состоянием атмосферы, позволили понять, что для прогноза погоды нужно применять законы гидродинамики. Сложные уравнения вычислительной математики, состоящие из измерений давления атмосферы, температуры воздуха, влажности, скорости ветра и морских течений, – все это компьютеры считают значительно быстрее людей.
По словам Виктора Степаненко, гидрометеослужбы мира используют самые мощные доступные электронные системы, которые в тысячи раз превосходят мощности обычных компьютеров. Такой суперкомпьютер есть и в Московском университете. Эта система называется «Ломоносов 2», а общее количество ядер в ней – 64,4 тысячи (для сравнения, эта общая мощность 15 000 обычных ноутбуков).
Такие большие мощности требуются потому, что ученые успешно используют метод машинного обучения при прогнозировании погоды: компьютеру показывают множество примеров решения аналогичных задач, а он учится решать их. И так как любая прогностическая модель имеет погрешности, машина вычисляет ошибки в прогнозе, запоминает их и убирает варианты из результатов.
К сожалению, отметил ученый, решения компьютеров все равно остаются приближенными: на изменение погоды влияет огромное количество показателей – заливы, приливы, циркуляция воздушных масс, радиация, речные стоки. Даже если создавать пространственные модели климата (они строятся с помощью космических спутников), невозможно уследить за всеми процессами, происходящими одновременно по всей планете.
Более того, существуют атмосферные случайности, которые машины не в состоянии предсказать. Степаненко рассказал, что погрешность и частота ошибок зависит от заблаговременности прогноза. Самым точным является прогноз погоды от 7 до 10 дней: в этот период метеорологическая модель использует самые свежие данные о любых изменениях в атмосфере. Но так как атмосфера всегда находится в неустойчивом состоянии, отдельные измерения становятся неупорядоченными, и в итоге вместо обещанной солнечной субботы мы получаем дождливые серые выходные.
«Мы никогда не знаем точное состояние атмосферы в начальной точке. Сколько бы человечество ни развивало суперкомпьютеры, сколько бы оно ни строило самые точные средства измерения, всегда будет существовать предел предсказуемости прогноза. Точный прогноз погоды дольше, чем на 10 дней, невозможен по фундаментальным физическим законам», – заявил Виктор Степаненко.
Но не все так грустно, обнадежил эксперт. Если мы не можем знать точную температуру воздуха в конкретный момент времени через две недели, то можем знать, сколько составит средняя температура этой осени. Это результат климатологического прогнозирования, по которому машины формируют средние возможные показатели изменений в атмосфере в течение нескольких месяцев и более.
Безусловно, точность прогнозов еще будет повышаться. Для этого уже сейчас ученые совершенствуют измерительные системы (в частности, спутники), повышают пространственное разрешение моделей и развивают математическое описание физических, химических, биологических процессов. Но мы с вами должны быть готовы к тому, что никогда не узнаем точно, какова будет скорость ветра и как долго продлится дождь в четверг следующего месяца.
