Предел предсказуемости

Никакие высокопроизводительные вычисления не заменят инструментального наблюдения за погодой планеты. Например, с борта Международной космической станции.
Фото Reuters

В минувшем феврале Гидрометцентр России отметил свое 80-летие. Директор Гидрометцентра России Роман Менделевич Вильфанд и директор Главного вычислительного центра Росгидромета Владимир Александрович Анцыпович в беседе с Александром Семеновым рассказывают о технологической составляющей прогнозов погоды.

– Роман Менделевич, с 60-х годов производительность компьютеров выросла в миллиарды раз. А как изменилась точность и заблаговременность прогноза погоды?

Р.Вильфанд: Естественно, зависимость точности прогноза погоды от мощности вычислительной техники непростая и нельзя один только параметр – рост в миллиарды раз производительности вычислительной техники – переносить механически в другие сферы. Прогнозирование погоды связано с решением сложных систем уравнений гидродинамики.

Начало научного прогнозирования погоды датируется серединой XIX века, когда замечательный ученый, военачальник, путешественник адмирал Фицрой обнаружил, что погода связана с давлением. Человек был очень яркий, в частности, он руководил кругосветным плаванием на английском военном корабле «Бигль», на борту которого находился скромный молодой ученый Чарлз Дарвин. Пять лет длилось плавание. Его итоги были опубликованы в трех томах, из которых два первых написаны Фицроем, а последний – Дарвином.

Благодаря Фицрою прогноз погоды начал обретать научный фундамент. До него он делался на другой основе. Позднее очень известная норвежская школа метеорологии разработала систему уравнений, решение которых сегодня и является прогнозом погоды.

Однако подступить к их решению удалось лишь в начале 60-х годов XX века, во-первых, благодаря фундаментальным и прикладным исследованиям мировой науки в области вычислительной математики и физики, в которых огромная роль принадлежит замечательным ученым Александру Фридману, Илье Кибелю, Гурию Марчуку, Александру Обухову, Андрею Монину и многим-многим другим. А во-вторых, в связи с появлением компьютеров. Точное решение уравнений в принципе не существует и возможно лишь их приближенное решение. Точность решения системы таких уравнений напрямую связана с вычислительными ресурсами. Мало того, это решение надо получать быстро, поскольку прогноз на завтра нужен сегодня, а не через месяц или через год.

Таким образом, при практическом использовании численных методов прогноза погоды возникает необходимость баланса между желаемой (достижимой) точностью и технологически допустимым временем счета. Поэтому приходилось упрощать уравнения, чтобы сделать возможным их оперативное решение, хоть и в приближенном виде. Чем мощнее становились наши вычислительные ресурсы, тем меньше нам приходилось упрощать и наши модели все больше приближались к реальности.

В конце концов, буквально два-три года назад, наши вычислительные возможности позволили ставить «негидростатические» задачи, то есть учитывать вертикальные потоки в атмосфере. При этом переходе объем вычислений резко возрастает, и ввод в эксплуатацию в 2009 году нового вычислительного комплекса наконец-то позволил выйти на этот уровень и реализовать на практике те теоретические наработки, которые были у ученых Гидрометцентра России к этому моменту.

Мне хотелось бы специально подчеркнуть этот момент. В нашей работе повышение вычислительных мощностей приводит к реальному улучшению прогнозов. Именно поэтому наш вычислительный центр – важнейшая часть нашей работы.

Еще один очень важный момент – это дискретность описания атмосферных процессов. Всего 20 лет назад шаг координатной сетки, на которой производился расчет прогноза, составлял 300 километров. При таких расстояниях вполне можно «пропустить» серьезные атмосферные процессы, как, например, циклон, зарождающийся на фронте... Сегодня разрешение в наших моделях – три километра.

– Расскажите об истории того, как мы подошли к этим совершенно новым возможностям?

В.Анцыпович: История вычислительного центра Гидрометцентра России начинается в начале 60-х годов, с ЭВМ М-20. Тогда это был один из наиболее мощных компьютеров (а по тогдашним меркам – суперкомпьютеров) в России. Его производительность составляла около 20 тысяч операций в секунду. Он начал работать в 1963 году. С того момента все компьютеры, попадавшие в наш вычислительный центр, сразу приступали к очень серьезной работе: 24 часа в сутки на них рассчитывались различные прогностические задачи.

Среднее время наработки на отказ тогда не превышало 15 минут, а вычислительные схемы считались примерно час-полтора. Чтобы достичь результата, мы старались, с одной стороны, повысить время безотказной работы, с другой – развивать отказоустойчивость самих прогностических технологий.

В 80-е годы у нас появились компьютеры компаний Hitachi и Comparex (аналоги компьютеров IBM). В 1996 году был установлен суперкомпьютер Cray, который успешно проработал до 2005 года. Но уже с 2003 года мы начали прорабатывать следующий цикл модернизации нашего оборудования.

Поскольку в 2002 году Cray был снят с производства, мы начали разрабатывать кластерные решения и продумывать, как распараллеливать счет на них. Cray Y-MP, установленный у нас, позволял нам при распараллеливании алгоритмов использовать восемь потоков, а теперь речь пошла о десятках и сотнях процессоров для организации параллельного счета. Первые кластерные решения, которые были нам доступны, были решения на базе Intel Itanium.

Сегодня в нашем московском вычислительном центре работают два кластера, у одного из которых пиковая производительность 11 Терафлопс (11 х 1012 арифметических операций в секунду), у другого – 16 Терафлопс. Комплексы в Новосибирске и Хабаровске имеют производительность по 600 Гигафлопс (6 х 1011 операций). Московский комплекс был введен в эксплуатацию в марте 2009 года, а ВЦ в Новосибирске и Хабаровске – осенью 2009 года.

Р.Вильфанд: Точность прогнозов зависит от многих факторов. Первый – это физический блок, то есть учет всех физических явлений. Второй – это динамический блок, то есть метод решения этой системы.

А если вернуться к вопросу о том, что изменилось за 20 лет, то тогда точность прогноза на завтра была такой же, как сегодня на третий день. Вот что позволяют нам сделать новые компьютеры! Тридцать лет назад совершенно невероятным считался прогноз на пять-шесть дней. А сегодня мы делаем это. Но при этом очень важно понимать, что прогноз на шесть дней – это наш предел сегодня.

Кстати, в метеорологическом сообществе есть и такое понятие, как предел предсказуемости, которое ввел в обиход прекрасный американский ученый Эдвард Лоренц. Суть его в том, что детализировать прогноз можно в принципе максимум на 15–20 дней. Это связано с ошибками в начальных данных, от которых никогда нельзя будет избавиться. Если говорить о прогнозах на более долгий срок, то можно прогнозировать только осредненные, фоновые параметры, например: следующий месяц будет по температуре выше или ниже нормы.

– А зарубежные прогнозы погоды лучше российских?

Р.Вильфанд: Это очень интересный вопрос. До того времени, как в нашем вычислительном центре появился суперкомпьютер Cray, мы достаточно сильно отставали от развитых метеорологических служб других стран по точности прогнозирования. Но к 1999–2000 году заметно приблизились к ним, можно сказать, что шли вровень с Германией и занимали в мире 7–9-е место. После этого около 10 лет не было обновления компьютерного парка, и мы опять стали отставать.

Однако после появления новых вычислительных мощностей в 2008 году, еще до их ввода в эксплуатацию в полном объеме, буквально за несколько месяцев нам удалось сократить отставания в два и, может даже, больше раз. Таким образом, ответ на ваш вопрос прост: важнейшее значение имеют мощности вычислительного центра. Естественно, не только они, но они – в первую очередь.

Сегодня успешность прогноза на завтрашний день составляет 95–96%, а для каждого последующего дня она понижается на 2–3%. И на шестой день надежность нашего прогноза резко падает.

Очень важно понимать, что дальнейшее повышение оправдываемости прогноза выше 95–96% сталкивается с колоссальными сложностями. Не то что процент, а каждая сотая доля процента на этом пути дается с трудом и стоит больших денег. Никогда не удастся дойти до 100-процентной точности, всегда будет существовать некоторая неопределенность, потому что невозможно полностью исключить неточности входной информации.