Благодаря появлению экзафлопсных вычислений локальные климатические прогнозы вскоре могут стать реальностью. И не только для учёных.

В 2021 году в Соединённом Королевстве был длительный безветренный период; в 2022 году его поразила рекордная жара. В то же время произошли беспрецедентные наводнения в Германии и масштабные лесные пожары во Франции. Являются ли эти события частью мощного начального залпа антропогенного потепления, о котором нас предупреждали? Когда и где они произойдут в следующий раз? Учёные-климатологи склонны возражать. Мы просто не знаем — пока. 

В течение почти шести десятилетий климатические модели подтверждали то, что уже говорила нам обычная физика: повышенная концентрация парниковых газов в атмосфере нагревает планету. Десятки моделей, созданных научно-исследовательскими институтами по всему миру, придали видимую форму тому, что ждёт впереди: карты мира, медленно меняющие цвет от жёлтого к оранжевому и кроваво-красному, ледяные шапки, исчезающие под зловещими контурами линий температурного градиента.

Теперь, когда Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) назвала критический момент для предотвращения наихудших последствий, правительства говорят: «Нас убедили — что нам теперь делать?» 

Ответ на этот вопрос заключается в том, где наши нынешние модели терпят неудачу. Они показывают нам, как нагревается планета, но не показывают, как это повлияет на погоду в конкретном городе или даже стране. Поскольку климатические модели в некотором смысле полагаются на средние значения, они не могут предсказать всплески — те экстремальные явления с наибольшим потенциалом разрушения, к которым нам больше всего нужно готовиться. Но современные модели не могут даже определить, будут ли какие-то регионы чаще сталкиваться с засухами или наводнениями, должны ли правительства строить водохранилища или дамбы. 

«Сильно нелинейная система, в которой у вас есть смещения, превышающие сигналы, которые вы пытаетесь предсказать, на самом деле является ненадёжным средством», — сказал Тим Палмер (Tim Palmer), профессор-исследователь Королевского общества в области физики климата и старший научный сотрудник Оксфордской школы Мартина.

Эксафлопсные вычисления могут помочь прояснить прогнозируемые долгосрочные относительные изменения средних сезонных осадков (2081–2100 гг. по сравнению с базовым периодом 1995–2014 гг.). Диагональные линии указывают на области с низкой согласованностью моделей, где менее 80% модельных результатов согласуются по знаку изменения. Источник: МГЭИК (2021 г.), рисунок 8.14.  

Дело не в том, что у нас нет данных — у нас просто нет возможности обрабатывать их достаточно быстро, чтобы прогнозировать изменения до того, как они устареют. И в отличие от краткосрочного прогнозирования погоды, долгосрочное прогнозирование климата включает в себя гораздо больше физических процессов, таких как углеродный цикл, облачная обратная связь и биогеохимия. «Все они требуют затрат компьютерного времени», — сказал Палмер. 

Это скоро изменится. Этот год стал важной вехой в развитии суперкомпьютеров, когда первый в мире экзафлопсный компьютер, способный выполнять квинтиллион (1018 ) вычислений в секунду, был подключён к сети в Соединённых Штатах. Такие учёные, как Палмер, заявили, что впервые они смогут моделировать климат в масштабе, близком к тому, в котором на самом деле происходят его движущие процессы. 

Другие задаются вопросом, возможны ли точные прогнозы локального климата, особенно на десятилетия вперед, независимо от того, сколько дорогостоящих вычислительных мощностей будет затрачено на них. А за техническими проблемами стоит логистическая и, в конечном счёте, политическая. У легиона правительственных и университетских климатических лабораторий, производящих климатические модельные исследования, нет ресурсов, чтобы выстроить вычислительный пик, а сами климатические данные разрознены в глобальной мешанине исследовательских программ, финансируемых за счёт грантов.

Палмер и всё большее число других специалистов говорят, что учёным-климатологам необходимо объединиться и создавать меньше моделей, но с астрономически лучшим разрешением. Усилия, воплощённые в объявленном Европейским Союзом (ЕС) в этом году проекте под названием «Пункт назначения Земля» (Destination Earth), будут равносильны новому полёту на Луну. Это будет непросто, но может окупиться.

Другая Земля 

Инициатива Destination Earth, получившая прозвище DestinE, была запущена в марте 2022 года в рамках Европейского зелёного соглашения ЕС, нацеленного на климатическую нейтральность к 2050 году. Сторонники заявили, что её потенциал охватывает все аспекты смягчения последствий изменения климата, от предотвращения наводнений до защиты водоснабжения и поддержания производства продуктов питания. Идея состоит в том, чтобы объединить модели с высоким разрешением в цифровой двойник Земли. 

Концепция цифрового двойника, разработанная в обрабатывающей промышленности для более эффективного тестирования и улучшения качества выпускаемых продуктов, описывает виртуальную копию физического объекта. Tesla, например, создаёт цифровых двойников каждого из своих автомобилей на основе постоянного потока данных датчиков, а затем использует анализ двойника для постоянного обновления программного обеспечения реального автомобиля и оптимизации производительности. Земля — гораздо более сложный объект, в котором слишком много взаимосвязанных систем, чтобы их можно было полностью учесть в цифровом двойнике. Но DestinE попытается использовать виртуальную Землю во многом таким же образом, чтобы предсказать, как изменится климат, и как нам попытаться выдержать это изменение, фактически создав виртуальную испытательную лабораторию для климатической политики. 

DestinE в конечном итоге будет включать в себя несколько групп-близнецов, каждая из которых сосредоточена на разных аспектах Земли. Первые два, энергично ожидаемые чиновниками, будут готовы к 2024 году и будут посвящены экстремальным природным явлениям и адаптации к изменению климата. Другие, в том числе посвящённые океанам и биоразнообразию, запланированы на последующие годы. По словам официального представителя Европейской комиссии Йоханнеса Барке (Johannes Bahrke), концепция близнецов облегчит использование данных неспециалистами. «Инновация DestinE заключается… в том, как она позволяет взаимодействовать и генерировать знания с учётом уровня знаний пользователей и их конкретных интересов», — написал Барке в электронном письме.

Эта инициатива является результатом сотрудничества между Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), который сам займётся созданием цифровых двойников, и двумя другими агентствами: Европейское космическое агентство (ESA) создаст платформу, которая позволит заинтересованным сторонам и исследователям по всему миру легко получить доступ к данным, производимым в рамках инициативы, а Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT) создаст «озеро данных», объединяющее все европейские климатические данные для использования в моделях. 

Цель состоит в том, чтобы к 2030 году объединить климатические модели и другие типы данных, в том числе о миграции людей, сельском хозяйстве и цепочках поставок, в одну «полную» цифровую копию планеты. По словам Барке, в рамках этой инициативы также планируется использовать искусственный интеллект с целью «предоставить средства для полного использования огромных объёмов данных, собранных и смоделированных за десятилетия, и понять сложные взаимодействия процессов между системой Земли и средой человеческого обитания». 

Это амбициозная цель, но в её основе лежит то, что, по словам некоторых, будет шагом вперёд в том, как мы видим земные системы. Ключ к её потенциалу? Разрешение.

Модели даунскейлинга, физика апскейлинга  

Климатические модели делят земной шар на ячейки, как пиксели на экране компьютера. Каждая ячейка заполнена уравнениями, описывающими, скажем, приток энергии солнечного излучения или то, как ветер переносит энергию и влагу из одного места в другое. В большинстве современных моделей эти ячейки могут иметь площадь 100 квадратных километров и более. Это означает, например, что средняя гроза со всей её сложностью и динамичностью часто представляется одним однородным квадратом данных. Штормы не только часто являются неожиданным источником наводнения или торнадо, но и играют решающую роль в перемещении энергии в атмосфере и, следовательно, в траектории климата — они помогают определить, что произойдет дальше. 

Но не секрет, что горы поднимают воздух вверх, обеспечивая вертикальную передачу тепла, или что водовороты переносят тепло в Южный океан, или что напряжения в ледяных щитах влияют на их разрыв. «У нас есть уравнения для них, у нас есть законы. Но нам как бы запрещено использовать это понимание из-за ограничений вычислений», — сказал Бьорн Стивенс (Bjorn Stevens), управляющий директор Института метеорологии Макса Планка в Гамбурге, Германия и коллега Палмера. «Люди настолько привыкли делать всё по-старому, что иногда мне кажется, что они забывают, насколько далеки некоторые из основных процессов в существующих моделях от нашего физического понимания». 

В любой климатической модели явления меньшего масштаба параметризованы, что означает, что они представлены статистическим анализом, а не смоделированы путём отслеживания результатов физических процессов. Другими словами, пробелы в моделях заполняются за счет корреляции, а не причинно-следственной связи. 

«Мы часто изучаем влияние наших приближений, а не последствия нашего физического понимания», — сказал Стивенс. «И это [меня] как учёного очень расстраивает».

_

Инициатива DestinE может запускать моделирование климата в масштабе одного квадратного километра, аналогично моделированию атмосферы над Великобританией и Северным морем. Показаны приземные ветры с увеличением скорости ветра от темно-синего до темно-красного. Особенности суши изображаются только через их влияние на приземный ветер.  

Эксафлопсные компьютеры смогут запускать модели с гораздо более высоким разрешением — с ячейками размером всего в один квадратный километр — что позволит им напрямую описывать больше физических процессов, происходящих в более мелких масштабах. К ним относятся многие аспекты вертикального теплообмена, вызывающие такую ​​большую атмосферную активность, что делает новые модели тем, что Стивенс назвал «полностью, физически трёхмерными». Дополнительная вычислительная мощность также позволит более сложным системам лучше совмещаться друг с другом. Движение океанских течений, например, можно с большей точностью включить в потоки атмосферного воздуха и разнообразные радиационные и отражательные свойства объектов суши. 

«Мы можем реализовать это и зафиксировать гораздо больше того, как [такое взаимодействие] влияет на климат», — сказал Стивенс. «Если вы, наконец, сможете заставить модель глубокой атмосферной конвекции над тёплыми тропическими морями вести себя физически, позволит ли это вам более глубоко понять, как она затем формирует крупномасштабные волны в атмосфере, направляет ветры и влияет на такие вещи, как внетропические бури?» 

Стивенс сказал, что эта перспектива оживила область моделирования климата, которая, по его мнению, потеряла часть своей активности в последние годы. «Эта возможность масштабировать физику — это то, что действительно захватывает», — сказал он. «Это позволяет вам взять физику, которую мы понимаем, в небольшом масштабе, и посмотреть на её крупномасштабный эффект».

Закладка фундамента   

В конце июня 2022 года более 80 учёных-климатологов и программистов собрались в арендованном коворкинге в Вене, сгрудившись вокруг своих ноутбуков, на климатический хакатон*. Проект NextGEMS (Системы моделирования Земли следующего поколения), финансируемый программой ЕС Horizon 2020, только что завершил 4-месячный запуск своей последней модели. При 5-километровом разрешении запуск дал два смоделированных года глобального климата, и хакеры жадно копались в выводе в поисках ошибок. 

«Мы радуемся, когда находим ошибки. Их легче найти, если больше людей будут смотреть на [модель] с самых разных точек зрения», — сказала Тереза ​​Мислингер (Theresa Mieslinger), исследователь облачных технологий и организатор хакатонов NextGEMS (первый состоялся в октябре 2021 года). Каждое мероприятие NextGEMS даёт возможность специалистам по климату для использования в проектах по моделированию с высоким разрешением, таких как Destination Earth, работать вместе над двумя моделями: разработанной в Германии икосаэдрической негидростатической моделью погоды и климата (ICON) и интегрированной системой прогнозирования ECMWF (IFS), часто называемой «европейской моделью» для прогнозирования погоды. 

Обнаружение ошибок в моделях является естественным результатом их запуска с более высоким разрешением, что мало чем отличается от снятия тренировочных колёс с велосипеда только для того, чтобы обнаружить, что вы не так хороши в балансировке, как вы думали. Ситуация ещё больше осложняется новой возможностью связывания систем. Недавний пример: NextGEMS соединила атмосферу с океаном таким образом, что извлекла слишком много энергии из океана. «Внезапно у моделей, которые вели себя смирно при низком разрешении, появился ветер, дующий в неправильном направлении», — сказал Стивенс, руководивший хакатонами. Он был далеко не разочарован ошибкой. «Это похоже на езду на мустанге, а не на карусельном пони, что с научной точки зрения волнительно».

Частью цели хакатонов является обучение моделистов работе с огромным объёмом данных, связанных с моделированием с высоким разрешением. Даже при разрешении в пять километров выход последнего запуска NextGEMS составляет около одного терабайта за смоделированный день, и модель должна запускаться много раз, чтобы усреднить шум. 

Одной из проблем является знание того, как обращаться с данными. Получение их от суперкомпьютера — другое дело. Решение DestinE для этой проблемы с передачей, скорее всего, будет заключаться в публичной потоковой передаче данных из моделей с высоким разрешением по мере их запуска, а не в хранении их на диске. Любой может разработать приложения для идентификации только тех данных, которые ему нужны для ответа на конкретный вопрос. Стивенс сравнил это с полевыми исследованиями, когда исследователи размещают инструменты в открытом пространстве для проведения наблюдений. В этом случае инструменты (приложения) будут наблюдать за аспектами цифрового двойника мира, когда он вращается в своем калейдоскопическом изменении в быстром движении. 

Общедоступное предоставление данных также избавит пользователей от необходимости обращаться за помощью модели, адаптированной к их потребностям. «Мне очень нравится эта идея, что это не индивидуальная вещь, часто зависящая от каких-то связей, которые один человек имеет с другим или группой учёных», — сказала Мислингер. «Потоковая передача демократизирует доступ к данным. Это позволяет каждому человеку на нашей планете получить доступ к информации, на которой основаны климатические решения».

Прикладная физика   

Среди участников хакатона NextGEMS были представители отрасли экологически чистой энергетики, которые являются лишь одними из многих, кому нужны климатические данные: без подробной информации о том, насколько надёжны источники чистой энергии и насколько они подвержены повреждению в результате экстремальных погодных условий, промышленности трудно бороться за создание стабильной электрической сети. 

Доказательства этого уже очевидны; в 2021 году в Соединённом Королевстве наблюдалась самая низкая средняя скорость ветра за 60 лет. Это было плохой новостью для ветряных электростанций страны — объём выработанной энергии ветра определяется как куб его скорости, поэтому даже снижение скорости ветра на 10% означает снижение мощности почти на 30%. Безветренность также была плохой новостью для четырёх близлежащих стран (Бельгии, Дании, Германии и Нидерландов), недавно обязавшихся к 2050 году увеличить мощность ветряных электростанций в Северном море в десять раз. Никто не предвидел наступления упадка. 

«До ветровой «засухи» мне задавали вопрос: «Где в Европе самое ветреное место, где можно разместить эти ветряные турбины?», — сказала Ханна Блумфилд (Hannah Bloomfield), аналитик климатических рисков из Бристольского университета. «Но вопрос немного изменился после того, как у нас возникла ветровая «засуха». Нас начали спрашивать, откуда дует ветер даже во время засухи. Как будто они в реальном времени осознали, что изменение — это новая норма. 

Блумфилд сказала, что ей было трудно ответить на вопросы без моделей с более высоким разрешением. «Вы видите много исследований, в которых хотят представить активность на отдельной ветряной электростанции, но для этого приходится использовать, скажем, 60-100-километровые сетки климатических данных». Вертикальное разрешение новых экзамасштабных версий может быть особенно важным в этом случае: текущие модели не могут напрямую определять экстремальные скорости ветра на высоте большинства втулок роторов ветряных турбин, около 100 метров.

Палмер сказал, что новые модели также могут помочь определить основные причины региональных изменений ветра и, таким образом, лучше предсказать их. Явление, называемое глобальным затишьем, например, является результатом того, что поверхность Арктики прогревается быстрее, чем в средних широтах. Несоответствие уменьшает температурный градиент между регионами и замедляет ветер, который возникает, когда атмосфера пытается уравновесить ситуацию. Но верхние слои атмосферы в Арктике нагреваются не так быстро, как поверхность; ветры в Европе могли стихнуть по другой причине. Палмер считает, что новые модели способны дать ответ. Блумфилд также работает со страховыми компаниями, пытающимися повысить точность своих оценок рисков. Например, более чёткие модели могли бы помочь им более адекватно оценивать надбавки, давая понять, кто живёт в районе, подверженном наводнениям, а кто нет. «Если у вас есть модель с низким разрешением, она может сделать [подверженный наводнениям регион] большей площадью, чем на самом деле, — сказала она, — или она может просто полностью пропустить наводнение». Такие исследователи, как Блумфилд, являются движущими силами, связывающими заинтересованные стороны отрасли, политиков и сложную науку о моделировании климата. Но поскольку климат становится частью почти каждого решения, принимаемого на планете, они не могут оставаться таковыми. Блумфилд, входящая в группу под названием «Вызовы следующего поколения в моделировании энергопотребления и климата», признала важность как обучения заинтересованных сторон, так и повышения доступности данных моделирования климата для всех, кому необходимо их использовать. «Этот материал большой, верно? Это объёмные данные. Хотя теперь вы можете производить [их] с помощью этих экзафлопсных вычислений, то, догнали ли отрасли с точки зрения своих возможностей по использованию [их], может быть важным фактором для размышлений над такими проектами, как [Destination Earth]», — сказала Блумфилд.

Выполнение обещания 

Стивенс согласился с тем, что университетские лаборатории не могут продолжать нести ответственность за то, чтобы освещать путь вперёд в условиях изменения климата. «Это иронично, правда? То, что многие люди считают самой насущной проблемой человечества в долгосрочной перспективе, мы решаем с помощью набора слабо скоординированных исследовательских проектов», — сказал он. «Вы не подаёте заявку на исследовательский грант, чтобы сказать: «Могу ли я предоставить информацию фермерам?» Стивенс утверждал, что лица, принимающие решения в мире, должны полагаться на климатические модели так же, как фермеры полагаются на прогнозы погоды, но для этого перехода потребуются согласованные и дорогостоящие усилия по созданию своего рода общей инфраструктуры моделирования климата. Он и Палмер предложили, чтобы страны, способные сделать это, создали центральное модельное агентство — более дальновидные версии ECMWF в Европе или Национальной метеорологической службы в США — и активно работали вместе, чтобы снабжать мир надёжными данными, охватывающими спектр его политических потребностей. «Если бы мир инвестировал миллиард долларов в год, возможно, разделённый между пятью или шестью странами, это могло бы революционизировать наши возможности в моделировании климата», — сказал Палмер. Но некоторые в сообществе учёных-климатологов задаются вопросом, действительно ли модели с более высоким разрешением могут предоставить информацию, которую ищут политики. Гэвин Шмидт (Gavin Schmidt), директор Института космических исследований имени Годдарда НАСА (GISS) и главный исследователь совместной модели климата океана и атмосферы GISS, ModelE, сказал, что вполне может существовать потолок того, что мы можем предсказать в отношении долгосрочной изменчивости в конечном итоге в хаотичной климатической системе. Одним из примеров, по его словам, являются локальные осадки через 30 лет, которые могут зависеть от хаотичного поведения циркуляции даже в современных моделях. «Эти тенденции, вероятно, непредсказуемы, и ситуация не изменится с более высоким разрешением».

Шмидт указал, что модели с более высоким разрешением нельзя запускать так часто, что усложняет усреднение шума с помощью надёжного набора повторений. «Разрешение стоит очень, очень дорого. При тех же вычислительных затратах на одну километровую климатическую модель вы могли бы запускать от десятков тысяч до сотен тысяч моделей с более низким разрешением и действительно исследовать неопределённость». 

По его словам, недостаточно доказательств того, что модели километрового масштаба будут давать ответы, отличные от существующих моделей. «Как исследовательский проект, я думаю, что это замечательные вещи. Меня больше всего беспокоит то, что люди слишком много обещают того, что получится в результате». 

Новый полёт на Луну?  

NextGEMS сейчас тестирует свою модель с океаном и атмосферой, работая с разрешением 2,5 километра всего несколько месяцев. Японские исследователи работают над моделями с разрешением всего в несколько сотен метров по всему миру, которые Мислингер радостно назвала «абсолютно сумасшедшими». Пока всё это делается не на экзафлопсном компьютере, а скорее на петамасштабных компьютерах — менее чем вдвое медленнее, — в настоящее время работающих в Европе и Японии. 

Климатические модели, ориентированные на атмосферу, в настоящее время реализуются с разрешением 3 км на Frontier, первом в мире эксафлопсном компьютере, в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Министерство энергетики США (DOE) разрабатывало программу, аналогичную DestinE, в течение последних 10 лет, готовя к этому моменту свою модель системы климата и Земли. Проект, известный как E3SM (Energy Exascale Earth System Model), специально ориентирован на вопросы, важные для Министерства энергетики, например, как производство биоэнергии повлияет на землепользование и, в свою очередь, на климатическую систему.

Ожидается, что Frontier сможет создавать смоделированные климатические данные на сетке 3 км менее чем за день. Но даже E3SM придётся делить время на Frontier с другими тяжелыми приложениями DOE, включая те, которые имитируют ядерные взрывы. Такие потребности национальной безопасности традиционно имели приоритет, но правительства отслеживают и прогнозируют результаты изменения климата как вопросы национальной безопасности. 

В июне 2022 года Европа объявила о планах по выпуску своего первого экзафлопсного компьютера JUPITER (совместное предприятие-пионер инновационных и трансформационных экзафлопсных исследований), который будет использоваться многими приложениями, работающими с большими объёмами данных на континенте. Но Стивенс сказал, что будет сложно предоставлять надёжные климатические данные с высоким разрешением на постоянной основе без компьютеров эксафлопсного масштаба, которые полностью посвящены задаче, и централизованной организации, возглавляющей этот процесс. Он с надеждой сослался на другие дорогостоящие достижения человечества — Большой адронный коллайдер ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) и космический телескоп Джеймса Уэбба — в качестве прецедентов. И, как он указал, правительства активизировались и раньше. «НАСА было создано, когда мы осознали важность космоса. Министерство энергетики или аналогичные учреждения в других странах [были в приоритете] с целью приручить атом», — сказал он. С другой стороны, «с научно-технической точки зрения климат по-прежнему рассматривается как академическое хобби». 

Даже если модели с более высоким разрешением могут дать нужные нам климатические ответы, ещё неизвестно, захотят ли правительства мира проявить коллективную решимость, примером которой является космическая гонка. Повсюду напоминания о геополитических барьерах: Палмер не может подать заявку на финансирование DestinE, потому что Великобритания вышла из Европейского Союза («Брекзит — это неприятность», — сказал он), а конфликт на Украине отвлёк внимание от сокращения потребления ископаемого топлива в будущем, возникло беспокойство о том, где можно достаточно получить его сейчас. Но, возразил Палмер, конфликт также ясно показал, насколько проще было бы, если бы нам вообще не нужны были ископаемые виды топлива, и необходимость серьёзно заняться стабильной сетью экологически чистой энергии. 

Это означает, что модели с высоким разрешением или, по крайней мере, шанс увидеть, на что они способны, появятся не скоро.

* Форум для разработчиков, во время которого специалисты из разных областей разработки программного обеспечения (программисты, дизайнеры, менеджеры) сообща решают какую-либо проблему

 

Ссылка: https://eos.org/features/are-we-entering-the-golden-age-of-climate-modeling