Теория вероятности погоды на завтра
Вычислительный центр Росгидромета переходит на современные компьютерные технологии.
Можно утверждать наверняка, что каждый из нас хотя бы раз в день интересуется прогнозом погоды. Однако далеко не все знают, что за скромными числами температуры и скорости ветра стоят сложнейшие математические расчеты.
Еще в начале ХХ в. английский ученый Льюис Фрай Ричардсон предположил, что с помощью систем дифференциальных уравнений гидродинамики можно рассчитать поведение воздушных масс. Однако, по его оценкам, для того чтобы успеть провести необходимые вычисления вовремя, понадобилось бы несколько тысяч человек – в то время все расчеты выполнялись с помощью механических калькуляторов, либо вообще вручную.
Интересна дальнейшая судьба этих работ. Узнав, что военные используют придуманные им методы для расчета эффективности применения отравляющих газов, Ричардсон оставил метеорологию и уничтожил свои работы. В последующие десятилетия на основе расчетов Ричардсона была разработана комплексная модель численного прогноза – математические формулы, которые учитывают все известные физические законы, управляющие погодными явлениями.
В последние годы гидрометеорологическая наука достигла больших успехов в способности предсказывать опасные природные явления. Например, по региональным моделям, разработанным в Росгидромете, можно прогнозировать атмосферные фронты и циклоны, ливни, град, снегопад, сильные ветры и прочие неприятные события в масштабах от минут до суток и с разрешением в несколько километров.
Оперативное предсказание погоды на основе математической модели стало возможным с появлением производительных компьютеров. Но современным метеорологическим службам для точного расчета прогнозов требуются особенные, мощнейшие вычислительные комплексы – кластеры, использующие суперкомпьютерные технологии. Только несколько стран имеют достаточно производительные системы для того, чтобы самостоятельно проводить метеорологические расчеты, и весьма приятно, что одна из этих стран – Россия. Два года назад в вычислительном центре Росгидромета в Москве был установлен кластер производительностью 27 ТФЛОПС (триллионов операций в секунду). С его помощью метеорологи получили возможность решать такие сложные задачи, о которых раньше не могло быть и речи. Наверное, многие помнят редкое погодное явление – ледяной дождь, который прошел 25 декабря прошлого года в центральном районе России. Благодаря этому вычислительному комплексу сотрудники Росгидромета смогли заранее предупредить о надвигающейся опасной ситуации.
На очереди – создание комплексной модели нашей планеты, которая будет учитывать не только физические, но и химические и биологические процессы атмосфере, океанах и почве, и их нелинейное взаимодействие. Модели такого рода можно назвать моделями погоды и климата нового поколения, и с их помощью планируется создать систему «бесшовного» прогноза на интервалах от нескольких минут до десятков лет. Однако для расчетов таких сложных моделей мощности имеющегося вычислительного комплекса не хватает, поэтому было принято решение о его модернизации.
Первым шагом программы модернизации стала установка нового 15-терафлопсного кластера (в конце года планируется увеличение мощности до 30 ТФЛОПС), основанного на передовой архитектуре РСК-Торнадо. Он состоит из 96 вычислительных блоков, в каждом из которых – два процессора Intel Xeon 5680 с рабочей частотой 3,33 ГГц, 48 Гбайт оперативной памяти и жесткий диск SSD. Отличительная черта этого комплекса – жидкостная система охлаждения, которая впервые в мире используется для систем на базе процессоров Xeon. Благодаря этому на охлаждение тратится максимум 5,7% от общего энергопотребления системы, и это по-настоящему рекордный показатель для вычислительных комплексов такого класса. (А между тем, выделяемого этим компьютером тепла хватит на то, чтобы вскипятить бочку воды!) Кроме этого, новый кластер вместе с системой охлаждения занимает гораздо меньше места, чем его старший «коллега», а продуманная компоновка системы позволяет быстро заменять в случае аварии как сами модули (причем для этого не требуется выключения питания), так и процессоры, и память в модуле.
Как же новые вычислительные мощности могут помочь предсказывать погоду? Прогноз станет точней или можно будет сразу рассчитать погоду на год вперед? На эти вопросы можно ответить «и да, и нет». Дело в том, что далеко не всегда можно абсолютно точно предсказать погоду в каком-то определенном месте и в определенное время. Природа слишком сложна, причем значительное влияние на нее оказывает сам человек, поэтому смоделировать поведение воздушных масс с абсолютной точностью, даже используя самые современные модели, практически невозможно. Зато можно рассчитать вероятность прогноза. Проще говоря, прогноз будет выглядеть так: солнечно, без осадков, с вероятностью 95%. И сразу станет понятно, довериться ли этому прогнозу или все-таки захватить на всякий случай зонтик – если вероятность прогноза будет невысокой. Для подсчета вероятностей нужно несколько раз решить системы уравнений, используя разные алгоритмы, или немного изменяя начальные данные. Сравнивая результаты, можно оценить точность прогноза. Получается, что объем вычислений возрастает в несколько раз, поэтому вероятностное прогнозирование погоды требует увеличения мощности компьютеров тоже в несколько раз.
Самые современные компьютерные технологии позволяют сберечь миллиарды рублей – такими порядками оцениваются убытки от стихийных бедствий – и сохранить бесценные человеческие жизни.
На снимках (сверху вниз): ситуационный центр Гидромета; новый кластер РСК-Торнадо; вычислительный модуль; часть старого вычислительного комплекса.
31 октября 2011
