Računari visokih performansi u službi klimatske predikcije

NMM-B numeričko-matematički model za prognozu vremena i klime, razvijen u beogradskoj školi meteorologije na čelu sa vodećim istraživačem akademikom Zavišom Janjićem, danas se koristi u velikom broju svetskih meteo-službi i glavni je model za prognozu vremena u SAD.

Meteorolozi koji rade na operativnoj prognozi vremena, koja je u funkciji ranih najava i upozorenja na opasne meteorološke i hidrološke nepogode, u svom svakodnevnom radu oslanjaju se na poznavanje fizike atmosfere i na višedecenijsko iskustvo u subjektivnom tumačenju „gotovih“ meteoroloških karata, koje prikazuju vremensku evoluciju različitih fizičkih veličina koje karakterišu stanje atmosfere u sadašnjem trenutku, kao i u bližoj ili daljoj budućnosti.

Stanje atmosfere, kao fizičkog sistema, opisuje se fizičkim zakonima koji upravljaju njenom termodinamičkom evolucijom. Ovi fizički zakoni formulisani su uz pomoć jednačina koje matematičkim jezikom opisuju ustanovljene zakonitosti, a čijim rešavanjem se dobija vremenska evolucija različitih meteoroloških parametara i na takav način dobijaju već pomenute „gotove“ meteorološke karte.

Ovaj naizgled jednostavan postupak je matematički i računski veoma složen i zahtevan posao. Ovo s toga što skup matematičkih jednačina koje opisuju stanje atmosfere nema egzaktno, tačno ili tzv. analitičko rešenje, već se mora potražiti njegovo numeričko rešenje uz neophodnu upotrebu kompjutera visokih performansi (superkompjuteri).

„Rezolucija“ prognoze

Kada se pristupa numeričkom rešavanju skupa parcijalnih diferencijalnih jednačina, postavlja se problem početnih uslova, tj. tačnog prikazivanja stanja termodinamičkog sistema u početnom trenutku, od kojeg vršimo prognozu vremena, odnosno integraciju pomenutog sistema jednačina. Za tu svrhu koristi se permanentno osmatranje atmosfere, kopna i okeana za koje je razvijen globalni meteorološki i klimatski osmatrački sistem – mreža kopnenih meteoroloških stanica, mreža meteoroloških satelita, mnogobrojni meteo‑instrumenti na brodovima i avionima, radarska osmatranja, radio‑sondažna osmatranja i dr. Poznajući stanje atmosfere (a i celog klimatskog sistema) u početnom trenutku, u stanju smo da započnemo proces numeričkog‑kompjuterskog rešavanja sistema matematičkih jednačina, čije krajnje rešenje daje tzv. numeričku prognozu vremena („gotove“ meteorološke karte za budućnost).

Kvalitet i tačnost numeričke prognoze vremena (i klime u slučaju dužeg perioda integracije sistema jednačina) umnogome zavise od što tačnijeg poznavanja početnog stanja atmosfere, tj. od gustine osmatranja u početnom trenutku. U tom smislu, uvođenje satelitskih i radarskih osmatranja značajno je popravilo poznavanje stanja atmosfere u početnom trenutku, a samim tim i prognozu vremena. Međutim, to nije dovoljno. Da bi se pomenut skup jednačina rešio s dovoljnom tačnošću, potrebno je primeniti adekvatne matematičke metode iz oblasti numeričke analize, a istovremeno te metode primeniti s dovoljno visokom „rezolucijom“ da bi se prikazali svi detalji različitih atmosferskih procesa (cikloni, anticikloni, talasna kretanja, mlazne struje, procesi formiranja oblaka, padavinski procesi i dr). Rezoluciju u ovom smislu možemo smatrati analogom rezoluciji kod digitalne fotografije, gde pri većoj ili boljoj rezoluciji imamo mnogo više informacija i vidimo mnogo više detalja nekog fotografskog motiva.

Povećanje rezolucije numeričkog modela za prognozu vremena povećava broj i gustinu računskih tačaka koje prekrivaju planetu, na kojima se vrše proračun i rešavanje sistema jednačina koje upravljaju vremenom i klimom. U današnje doba, kada se za meteorološke globalne modele za prognozu vremena koriste najmoćniji superkompjuteri (npr. sa liste TOP500), rastojanje između tačaka mreže iznosi oko 15 km (cela planeta prekrivena je mrežom tačaka čija su međusobna rastojanja 15 km). Dalje povećavanje rezolucije nije moguće ukoliko postoji potreba za operativnim radom, pri kojem u tačno određeno vreme prognoza treba da bude gotova i predata krajnjim korisnicima.

Ovo rastojanje od 15 km očigledno nije dovoljno da bi se modelom videli (izračunali) procesi koji su manjih razmera, a mogu značajno uticati na različite termodinamičke procese od kojih zavisi kvalitet numeričke prognoze vremena. Zbog toga se pribegava umrežavanju modela – regionalni model umeće se u globalni model, od kojeg preuzima početne i bočne granične uslove za dati region (npr. Evropa s Mediteranom). Pošto regionalni model pokriva samo deo teritorije globalnog modela, onda je moguće da njegova rezolucija bude znatno veća nego kod globalnog modela, a da pri tome i dalje bude računski efikasan. Tako, u slučaju operativnog ciklusa Republičkog hidrometeorološkog zavoda Srbije, rezolucija regionalnog modela koji pokriva našu teritoriju iznosi 4 km i prognoze na toj rezoluciji daju neuporedvo više detalja koji su važni za izdavanje dobre prognoze.

Ansambl prognoza

Opisani proces izrade prognoze i prevladavanja problema enormnog računarskog vremena potrebnog za proračun globalne prognoze vremena u visokoj rezoluciji, putem umetanja regionalnog modela za ograničenu oblast, predstavlja tzv. determinističku prognozu (od jednog početnog stanja atmosfere dobija se jedna prognoza vremena u budućnosti). Međutim, početno stanje atmosfere poznajemo samo približno, zbog činjenice da je gustina meteoroloških osmatranja, uključujući i satelitska i radarska, nedovoljna za potpuno pouzdano poznavanje početnog stanja.

Zbog toga se pribegava matematičkoj tehnici koja na fizički opravdan način vrši promenu osmotrenog početnog stanja i proizvodi čitav niz novih, blago različitih početnih stanja za isti vremenski trenutak. Za svako od tako dobijenih početnih stanja vrši se proračun istim numeričkim modelom, koji kao rezultat daje ne samo jednu determinističku prognozu, kao u ranijem slučaju, već čitav niz prognoza (za svako početno polje po jedna prognoza – ansambl prognoza).

U kasnijem postprocesingu vrši se klasterizacija dobijenog ansambla i izračunava se verovatnoća ostvarenja određenog scenarija (npr. verovatnoća da će se temperatura u Beogradu kretati u intervalu 18‑20 stepeni Celzijusa dobija se kao odnos broja članova ansambla koji daju ovakvu temperaturu prema ukupnom broju članova ansambla). U tom smislu, paradigma pojma prognoze vremena pomerila se od determinističke prognoze, kada tvrdimo da će vreme biti tačno određeno jednom numeričkom integracijom od jednog početnog stanja atmosfere, ka pojmu probabilističke prognoze, gde se tvrdi da određeni vremenski scenario ima svoju verovatnoću ostvarenja, ali da su i drugi scenariji mogući (ne samo jedan) i da oni imaju svoju verovatnoću ostvarenja.

Proces proračuna probabilističke prognoze vremena numeričkim modelom veoma je kompleksan i zahtevan sa stanovišta računarskih resursa, te se ovim poslom operativno bave samo najrazvijenije meteorološke službe sveta.

Domaća praksa

U okviru operativnog rada Republičkog hidrometeorološkog zavoda Srbije, a u skladu sa strateškim opredeljenjem Svetske meteorološke organizacije i nacionalnih meteoroloških službi širom sveta, sprovodi se deterministička numerička prognoza vremena u globalnim i regionalnim razmerama, dok se produkti probabilističke prognoze vremena preuzimaju iz Evropskog centra za srednjoročnu prognozu vremena (Reding, Velika Britanija). Do sada je za ovu namenu iz okvira budžetskih sredstava nabavljen klaster‑računar srednjih performansi (oko 600 korova), kojim se vrši proračun determinističke numeričke prognoze vremena.

Štete prouzrokovane meteorološkim i hidrološkim nepogodama, kao i klimatskim eksremima (npr. dugotrajne suše, poplave, šumski požari), u Srbiji su veoma velike, tako da svaka najava ovih događaja, ukoliko se pravovremeno reaguje, ima potencijalno veliku ekonomsku korist. Zbog toga je u RHMZ‑u razvijen integrisani sistem rane najave i upozorenja koji pokriva različite vremenske skale, od sezonskih, preko mesečnih, desetodnevnih, pa do kratkoročnih prognoza. Za sada se veći deo ovih prognoza zasniva na determinističkom pristupu. Međutim, po preporuci Svetske meteorološke organizacije i najnaprednijih meteorološki službi sveta, RHMZ je pokrenuo razvoj probabilističke klimatske prognoze, s tendencijom da u budućnosti u operativnu praksu uvede ovakav tip i u kratkoročne prognoze. Korisnici produkata numeričke prognoze vremena i klime su različiti privredni subjekti, koji mogu pravovremenim odlučivanjem ostvariti značajne koristi od prognoze vremena i klime (elektroprivreda, poljoprivreda, osiguravajuća društva i dr.).

U budućem razvoju numeričke prognoze vremena i klime u Srbiji, kroz sprovođenje razvojno‑istraživačkog programa RHMZ‑a koji je usvojila Vlada Republike Srbije, u cilju unapređenja kvaliteta operativnog rada sistema ranih najava i upozorenja i klimatskih prognoza, bilo bi potrebno da RHMZ nabavi superkompjuter visokih performansi, kako bi se od determinističke prognoze vremena krenulo prema probabilističkoj prognozi, a posebno kako bi se povećala rezolucija numeričkog modela za prognozu vremena i klime, čime bi se povećao i kvalitet prognoza.

Milan Dacić