Az időjárás-előrejelzés mindig is kihívásokkal teli terület volt, a klímamodellezés pedig még összetettebb és bizonytalanabb. Azonban az elmúlt években jelentős előrelépések történtek, amelyek lehetővé teszik, hogy egyre pontosabban megjósoljuk, milyen természeti jelenségekkel kell szembenéznünk. Ennek hátterében két fő tényező áll: a fejlettebb modellek és a megnövekedett számítási kapacitás.
A „Szent Grál” a klímamodellezésben: közel kilométeres felbontás
Egy friss tanulmány, amelyet Daniel Klocke vezetésével a németországi Max Planck Intézet kutatói készítettek, egy olyan modellt mutat be, amelyet sok szakértő a klímamodellezés „szent gráljának” nevez. Ez az új modell egyesíti az időjárás-előrejelzést és a klímamodellezést egyetlen, közel kilométeres (pontosabban 1,25 km-es) felbontású rendszerben.
Bár technikailag nem pontosan 1 négyzetkilométeres egységekre bontja a Föld felszínét, hanem 1,25 km-es cellákra, ez így is óriási előrelépés. A modell mintegy 336 millió cellát fed le a földön és tengereken egyaránt, és ehhez még ugyanennyi „légköri” cellát rendelnek közvetlenül a felszíni cellák fölé – így összesen 672 millió számított celláról beszélünk.
A modell működése: gyors és lassú rendszerek integrálása
A kutatók minden egyes cellára több összekapcsolt modellt futtatnak, amelyek Földünk fő dinamikus rendszereit tükrözik. Ezeket két kategóriába sorolták:
- Gyors rendszerek: ide tartozik az energia- és vízkörforgás, vagyis maga az időjárás. Ezek követése rendkívül nagy felbontást igényel – ezért is fontos az 1,25 km-es skála.
- Lassú rendszerek:
A valódi áttörést az jelenti, hogy ezeket a gyors és lassú folyamatokat egyetlen modellben sikerült összehangolni. Korábbi modellek esetében az ilyen komplex rendszerek csak 40 km-nél nagyobb felbontáson voltak számításilag kezelhetők.
Hogyan valósították meg? Korszerű szoftverfejlesztés és csúcstechnológiás hardverek
A modell alapját képező szoftvert eredetileg Fortran nyelven írták – ami kihívást jelentett a modernizálás során. Az évek során rengeteg kiegészítés nehezítette meg a használatát korszerű számítástechnikai architektúrákon.
A kutatók ezért bevezettek egy Data-Centric Parallel Programming (DaCe) nevű keretrendszert, amely lehetővé teszi az adatok hatékony kezelését modern rendszereken. Ez kulcsfontosságú volt ahhoz, hogy a modellt napjaink szuperszámítógépein futtathassák.
Szuperszámítógépek és új generációs processzorok
A modell futtatásához két európai szuperszámítógépet használtak: a németországi JUPITER-t és a svájci Alps-t. Mindkettő az Nvidia legújabb GH200 Grace Hopper chipjén alapul.
Ezekben a chipekben egy GPU (grafikus feldolgozó egység), amelyet kifejezetten mesterséges intelligencia képzésére fejlesztettek (Hopper), együttműködik egy CPU-val (központi feldolgozó egység), amely ARM architektúrán alapul (Grace). Ez a kettős architektúra lehetővé tette, hogy a gyorsan változó időjárási modelleket a GPU-k kezeljék, míg a lassabb szénciklus-modelleket párhuzamosan futtassák a CPU-k.
Lenyűgöző számítási teljesítmény
Ezzel az elrendezéssel összesen 20 480 GH200 szuperszámítógép-chipet használtak fel arra, hogy egyetlen nap alatt 145,7 napnyi időjárási és klímafolyamatot modellezzenek le. A modell közel 1 billió „szabadságfokot” számolt ki – ez azt jelenti, hogy ennyi értéket kellett egyszerre kezelnie.
Nem meglepő tehát, hogy ehhez hatalmas számítási kapacitásra van szükség – ilyen komplexitású modellek nem fognak hamarosan megjelenni helyi meteorológiai állomásokon.
Korlátok és jövőbeli kilátások
A jelenlegi számítási erőforrások korlátozottak, ráadásul a nagy technológiai cégek inkább generatív mesterséges intelligencia fejlesztésekre fordítják ezeket az erőforrásokat – ami sajnos hátráltathatja a klímamodellezés fejlődését.
Ennek ellenére érdemes elismerni ezt az impozáns mérnöki teljesítményt. Remélhetőleg egyszer eljutunk oda, hogy ezek az összetett szimulációk mindennapossá váljanak, így még pontosabban érthetjük meg bolygónk jövőjét.
További információk
A kutatás előzetes változata elérhető az arXiv tudományos preprint szerveren. Az eredeti cikket az Universe Today publikálta.
Forrás: https://www.sciencealert.com/scientists-create-digital-twin-of-earth-accurate-to-a-1-kilometer-scale
