Суперкомпютрите се оказаха ключ към вълнуващия пробив в симулирането на цялата система с изумителната резолюция от 1 км

Как се създава един от най-точните модели за прогнозиране на времето, промените в климата и природните бедствия? Съставките за успеха са две - сериозна работа на висококвалифицирани учени и мощни суперкомпютри от ново поколение в Швейцария и Германия. Благодарение на тях моделът ICON пресъздава симулации на цялата земна система - атмосфера, океан, суша и въглероден цикъл - с безпрецедентна точност - до 1 км. Поради тази причина той вече се използва от метеорологичните служби и изследователски институции в много страни, включително при прогнозиране на времето с висока резолюция и анализа на екстремни събития. Сред тях са Германия, Италия, Полша, Румъния, Швейцария, Бразилия, Пакистан.

Моделът е на три нива, като оперативната система работи в няколко мащаба. ICON-D2 обхваща Германия и съседните региони с резолюция от 2,2 км. ICON-EU - Европа и съседните райони с резолюция от 6,5 км, докато глобалният модел ICON представя цялата планета, като там щрихите са по-груби и видимостта е по-малка. От друга страна, моделът предоставя по-подробна информация в сравнение с други глобални аналози. Особено в случаите, когато са необходими краткосрочни регионални прогнози с висока резолюция.

Първоначално той е разработен от Германската метеорологична служба и Института по метеорология „Макс Планк", но днес неговата поддръжка и бъдещи разработки са резултат от широко международно сътрудничество. В него участват Германският център за климатични изчисления, Суперкомпютърният център в Юлих, Технологичният институт в Карлсруе, Центърът за моделиране на климатичните системи в Швейцария. Развитието му е подкрепено и от редица европейски проекти, насочени към все по-точни и подробни прогнози за локални метеорологични явления като обилни валежи, бури и други екстремни събития. 

Именно тук изпъква една от най-силните страни на ICON - способността му да работи с много висока резолюция. Поради тази причина в Германия се използва не само за прогнозиране на времето. Резултатите му също така поддържат системи за ранно предупреждение и приложения, свързани с управлението на кризи. Хидрологичните служби го използват за предизвестия при предстоящи наводнения, морските - за да сигнализира кога предстоят бурни вълни, а в случай на ядрени или химически аварии моделът изчислява в каква посока ще се разпространи замърсяването.

Защо ICON е толкова специален?

Защото е много повече от инструмент за прогнозиране. Той има потенциала да даде на учените отговори на най-сложните въпроси, свързани с климата. По този начин те могат да правят препоръки, основани не на мнения, а на конкретни данни за това какво да се промени, за да се ограничи въглеродният ни отпечатък и да се смекчат последиците от глобалното затопляне.

Благодарение на това постижение и безпрецедентната му точност екип от 26 учени получи най-престижната награда в областта на паралелните изчисления. Призът „Гордън Бел" им бе връчен за моделиране на климата - първата по рода си симулация на пълната земна система с резолюция 1,25 км.

До момента нито една глобална симулация не е представяла с толкова висока резолюция едновременно процесите в атмосферата, океана, сушата и въглеродния цикъл. Тоест непрекъснатото движение на въглерод между атмосферата, океаните, почвата, скалите и живите организми. Както и биогеохимията - химичните, физичните, геоложките и биологичните процеси, които контролират състава на околната среда. Също така обменът на вещества между живите организми (биосфера) и неживата среда (литосфера, атмосфера, хидросфера).

Симулациите се изпълняват с помощта на 8192 графични процесора на суперкомпютъра в Швейцарските Алпи и с тази на 24 576 суперчипа на най-мощния суперкомпютър в Европа JUPITER в Юлих. 

„Със системи като JUPITER можем да симулираме цялата земна система с изключително висока резолюция", обясни пред списание „Космос" Ларс Хофман, който е един от наградените учени в Суперкомпютърния център в Юлих. Той и неговите колеги метеоролози Катрин Майер и Олаф Щайн знаят много за климата, но също така разбират и от кодове. По този начин те помагат на цялата научна общност да провежда изследвания с ICON на суперкомпютрите в техния център. 

„Комбинираме изследвания с поддръжка на модели", допълва Ларс Хофман, който е и ръководител на отдела за високопроизводителни изчисления в приложни науки и инженерство в Суперкомпютърния център в Юлих. Съставен е от шест екипа, известни като Лаборатория за симулации и данни.

„Климатолозите или метеоролозите получават специфична подкрепа от опитни членове на екипа като Катрин и Олаф - обяснява Хофман. - Колегите ни в Лабораторията за симулации и данни имат опит в климатичната наука и метеорологията, както и в суперкомпютрите. Ние поддържаме общностни модели и кодове за големи симулации на времето и климата и помагаме на учените да ги изпълняват ефективно на нашите високопроизводителни изчислителни системи."

Екипът ни показа и как изглежда България с резолюции от 2,5 км и от 10 км. На практика, колкото повече подробности и информация получават учените при по-добра „видимост", толкова по-точни могат да бъдат техните прогнози и анализи. Нещо, което е от първостепенно значение за гражданите, селското стопанство, промишлеността, въздушния, сухопътния и морския транспорт, управлението на кризи при бедствия и за научната общност.

Самият модел е с отворен код и може да се използва от всички страни и специалисти.

„Кодът ICON може да бъде изтеглен свободно, но изпълнението на регионални или глобални симулации с висока резолюция изисква достъп до значителни високопроизводителни изчислителни ресурси – допълва Ларс Хофман. - Това предоставя на учените от по-широката общност възможността да внесат свои собствени идеи и да проведат свои собствени симулации и експерименти."

Освен това германската метеорологична служба предлага курсове за обучение за специалисти, използващи кода, и учени от различни страни се възползват от това. И тъй като много страни в Европа вече разполагат със суперкомпютърни центрове, те могат не само да си сътрудничат, но и да подобряват модела за научни изследвания в името на голямата цел - по-добри прогнози и по-ефективни системи за предупреждение.

Друго предимство е, че Европа укрепва собствените си възможности за моделиране и суперкомпютри. Това допълва международните системи за наблюдение и намалява зависимостта от която и да е инфраструктура или доставчик на данни.

„Мисля, че ICON е един от водещите световни модели за време и климат - отбелязва Хофман. - Той използва най-новите технологии и в момента постига много висока изчислителна производителност."

В това отношение той е сред водещите системи в международен план. По различни показатели дори превъзхожда своите аналози в Съединените щати и Япония.

Изчислителната мощност и обработката на колосални набори от данни осигуряват още едно предимство. С помощта на модела учените могат да предсказват катастрофални наводнения както никога досега. Именно затова екипът се надява, че събития като наводнението в долината Ар през 2021 г. в Германия, при което загинаха над 100 души, в бъдеще ще могат да се прогнозират достатъчно рано, за да се предупреди населението навреме.

„Тогава все още имаше трудности при представянето на локалния интензитет и пространствената структура на такива екстремни валежи с достатъчно подробности - обясни Олаф Щайн. - С висококачествените симулации на ICON вече е възможно по-добре да се оценят моделите на валежите, които биха могли да доведат до опустошителни наводнения." 

У нас данните също са трагични. При последния потоп в курортния комплекс „Елените" 4 души загубиха живота си, през 2023 г. толкова бяха жертвите и при рекордните валежи край Царево. 7 години преди това порой доведе до двуметрова приливна вълна в села край Бургас и Камено и хората бяха изненадани в съня си – по време на бедствието загинаха 5 души. През 2014 г. във варненския кв. „Аспарухово" катастрофата погуби 13 души, през същата година наводнението в Мизия отне два живота. Две години по-рано в с. Бисер 10 души загинаха заради скъсаната стена на язовир „Иваново". Черната статистика може да бъде продължена, но тя още веднъж подчертава крещящата нужда от прецизни модели като ICON.

Според Катрин Майер вече може да се проучи и как подобни екстремни събития биха се развили в бъдеще: „Както и дали те ще станат по-чести – това са важни въпроси. 

С високата резолюция тези климатични прогнози за екстремни събития вече са възможни."

От друга страна, с инструмент като ICON учените получават изключителна възможност да разберат цялата климатична система. Ако някой си мисли, че това е лесна работа, много се лъже, защото тя остава изключително сложна и много взаимодействия между атмосферата, океана, сушата, леда и биосферата все още са активни области на изследване.

„Някои от процесите в атмосферата, океаните, морския лед, растителността и сушата протичат в кратки или дълги времеви мащаби и е важно те да се разберат", обясни Щайн. Според него с помощта на модела научната общност може да изучава не само въпросните процеси в тези системи, а и обратната връзка между тях.

Изменението на климата увеличава рисковете, свързани с екстремни явления като горещи вълни, обилни валежи, суши, горски пожари и тропически циклони. Учените отдавна предупреждават, че без драстично намаляване на въглеродните емисии щетите върху екосистемата може да бъдат необратими. За съжаление, дори днес тази задача изглежда нерешима.

През май обсерваторията „Мауна Лоа" към Националната океанска и атмосферна администрация на САЩ обяви, че през април е поставен нов рекорд. Отчетена е средномесечна стойност на въглеродния диоксид от 431,12 ppm в сравнение с около 315 ppm, когато измерванията започват през 1958 г. Продължаващото покачване отразява неумолимия дисбаланс между глобалните емисии парникови газове и капацитета на естествените системи като океани, гори, почви, влажни зони и морски екосистеми да ги абсорбират. В тази сфера модели като ICON, заедно с наблюденията на други аналогични системи, могат да помогнат на учените да разберат по-добре как въглеродът, водата и енергията се движат през земната система. Тези симулации с висока резолюция могат да са особено полезни при изучаването на регионалните и локалните последици от глобалното затопляне. При това с безпрецедентни подробности. За разлика от традиционните мрежи географска ширина-дължина, които стават все по-плътни към полюсите, ICON използва икосаедрична мрежа, която покрива земното кълбо по-равномерно. Резултатът - по-точни изчисления, особено в планинските райони и по време на екстремни метеорологични условия. Или както отбелязва екипът, симулацията има „огромен и траен потенциал да предостави информация за последиците от бъдещото затопляне както за хората, така и за екосистемите - информация, която иначе не би съществувала".

Друго предимство на симулациите в километричен мащаб е, че те могат да представят атмосферните гравитационни вълни много по-ясно. И ако се питате защо те са важни, причината е, че без тях прогнозите могат да са напълно неадекватни.

„Тези вълни са процеси в малък мащаб, но те пренасят енергия и импулс през атмосферата, което задвижва циркулацията. Така че, ако имате модел, който не симулира правилно гравитационните вълни, тогава общата циркулация на атмосферата може да е погрешна", обяснява Майер.

С ICON могат да се симулират океанските процеси, защото проследява разпределението на фитопланктона. И тъй като той се носи по течението като своеобразно мастило, с този ориентир могат да се предвидят предстоящи вихрушки и бури. Същевременно процесите в планинските райони могат да бъдат „уловени" изцяло само при такава висока резолюция.

Подобрявайки непрекъснато софтуера, учените често сравняват своите симулации и прогнози в дадена област със сателитните наблюдения. Още докато разговаряхме, те ни показаха модели на атмосферните вълни над Южна Джорджия. При симулации с по-ниска резолюция амплитудата на вълната се оказва, че е твърде слаба в сравнение с наблюденията. Когато ICON симулира същата област с резолюция 1,6 км, събитието се възпроизвежда много по-подробно и реалистично.

Или ако трябва да обобщим, моделът е „окото" на учените и колкото по-точно е то, толкова по-защитени ще бъдат всички европейски граждани.

Благодарение на кохезионните инструменти на ЕС България има достъп до над 1,7 милиарда евро за климатични проучвания и управление на природните рискове чрез Програмата за околна среда до 2027 г. Средствата се използват за изграждането на национална система за управление на водите в реално време. Това се осъществява чрез интегриране на сензорни и сателитни данни за прогнозиране на наводнения и суши в речните басейни. Изграждат се регионални центрове, оборудвани с числени модели за ранно предупреждение, за наблюдение на опасни метеорологични явления и свлачища.

По същата програма се актуализират климатичните сценарии за България до 2050 г. и до 2100 г. като част от Националната стратегия за адаптация към изменението на климата.

На научноизследователско ниво се създават центрове за върхови постижения, включително проектът UNITe, който обединява учени от Софийския университет, Българската академия на науките и Техническия университет в София. Тяхната цел е да разработят регионални климатични модели. С тях научната общност ще проучи как специфичният релеф на страната влияе върху затоплянето и екстремните валежи. Разработват се и софтуерни модели за симулиране на горски пожари и земетресения.

Целият този напредък се дължи на друг кохезионен проект, свързан с AI Factory и суперкомпютъра „Discoverеr", част от европейската мрежа на EuroHPC. Машината изпълнява сложни симулации за прогнозиране на времето и дългосрочни климатични промени.

С помощта на подобни проекти Европа постепенно изгражда щит за населението, а учените стъпка по стъпка сглобяват пъзела на климатичната система. Без да имаме по-ясна картина за нея, рискуваме различните държави да вземат решения в условия на непълна информация, което, както знаем, може да е пагубно за планетата.

Науката, мощните суперкомпютри, надеждният софтуер и отдадеността на учените са ключовият фактор за правилното разбиране на промените в климата. И само те могат да дадат тласък на адекватните мерки на човечеството да защити нашия дом в космоса.