В начале весны загадочный, но реально существующий ChipMan вместе с несколькими коллегами побывал в Росгидрометцентре, где несколько часов общался с начальниками Росгидромета и его вычислительного центра и разглядывал суперкомпьютерные стойки.
Ниже — краткий экскурс в историю метеорологии и то, как работает Росгидромет и другие современные метеорологические службы.
У метеорологии большая история — первым метеорологом, по-видимому, был Аристотель, написавший одноименный трактат об изменениях погоды; в последующие века наблюдением за погодой и систематизацией знаний о ней занимались во всех концах планеты. Однако метеорология как мы ее знаем — а это динамическая метеорология, то есть прогнозирование погоды при помощи математических уравнений гидромеханики и термодинамики — возникла сравнительно недавно.
Термину «прогноз погоды» (“weather forecast”) мы обязаны вспыльчивому капитану Роберту «Горячий кофе» Фитц-Рою, почти пять лет плававшему вместе с Дарвином во время второго путешествия Бигля в середине позапрошлого века. Фитц-Рой обнаружил, что характеристики погоды связаны с давлением воздуха, а в зрелые годы возглавил метеорологический отдел в Министерстве торговли, создал несколько моделей барометров и наладил сбор данных от капитанов, приходивших в порт — короче, занялся тем, чем занимаются все современные метеорологи.
Современные метеорологи пользуются уравнениями норвежца Вильгельма Бьеркнеса, основателя Бергенской научной школы в метеорологии — решение уравнений гидродинамики, выведенных им, и есть не что иное, как прогноз погоды. Практическое применение эти уравнения нашли только в пятидесятых годах прошлого века, когда начали появляться ЭВМ, способные рассчитать их для достаточно большой территории — первый прогноз погоды считался американскими метеорологами на первом же компьютере ЭНИАК при помощи Джона фон Неймана — всю свою историю метеорология не обходится без известных людей.
Первые отечественные вычисления погоды начались в 1961-м году на ЭВМ М20, выполнявшей 20 тысяч операций в секунду. Время работы М20 на отказ — 15 минут; погодная модель считалась гораздо дольше, поэтому сотрудниками Гидрометцентра приходилось идти на различные ухищрения. Сама специфика погодных вычислений такова, что компьютерная техника используется двадцать четыре часа в сутки, семь дней в неделю, круглый год — погода никогда не перестает меняться, так что Гидрометцентр был и остается серьезной тестовой площадкой для суперкомпьютеров: до середины семидесятых, когда отечественные компьютерные разработки сменились аналогами машин IBM, Гидрометцентр получал первые серийные номера советских ЭВМ.
С марта прошлого года в Гидрометцентре запущены две суперкомпьютерные системы SGI Altix производительностью 11 и 16 Тфлопс — более чем в миллиард раз быстрее, чем первая ЭВМ М20. Между тем, прогнозы погоды с тех пор не стали в миллиард раз точнее. Точность прогнозирования погоды связана с вычислительными ресурсами, но не линейно. Во-первых, упоминавшиеся уравнения имеют только приближенные решения. Во-вторых, буквально до последнего времени эти уравнения приходилось упрощать, чтобы прогноз погоды рассчитывался достаточно быстро, иначе точный суточный прогноз мог бы считаться пару лет. В-третьих, нерешенной проблемой всегда будет оставаться точность и оперативность измерений метеостанций и зондов — у всех приборов есть погрешности, и понятно, что данные от зондов и погодных станций приходят не одномоментно — сбор и нормализация данных это тоже отдельная непростая задача.
Тем не менее, точность прогнозов растет. Атмосферные процессы рассчитываются по сетке, наложенной на карту страны. Еще 20 лет назад шаг такой сетки составлял 300 километров — можно было запросто пропустить какой-нибудь небольшой циклон. Этой весной в Росгидромете начали рассчитывать две погодные модели для ограниченных территорий (они называются мезомасштабными), одна из них — трехсоткилометровая область над Москвой. Шаг такой сетки — 3 километра, так что при таком масштабе и наличии вычислительных мощностей можно переходить даже к описанию отдельных физических процессов, что, разумеется, благоприятно сказывается на качестве прогноза.
Роман Вильфанд, глава Росгидромета: «Сейчас прогноз погоды в Москве можно рассчитывать с шагом в 3 километра, а вообще мы планируем через 3 года увеличить это разрешение до километра. К Олимпиаде в Сочи мы будем стремиться к описанию процессов через полкилометра, потому что в условиях сложной орографии Сочи нужно еще более детальное описание погоды, чем на равнине. Для нас Сочи будет спецпроцектом. Сейчас рано говорить об административном решении, но в рамках наших исследовательских и других программ мы готовимся к Олимпиаде».
25-27 лет назад качество прогноза погоды на один день вперед было таким же, как сейчас на третий день — заметный прогресс. Современные вычислительные ресурсы позволяют увеличить и период времени, на который делается прогноз. Сейчас прогноз в Росгидромете строится максимум на шесть дней. Успешность подобного прогноза на первый день — 95-96%, в прогнозе на каждый следующий день успешность понижается на 2-3%. К концу этого года в Росгидромете появятся семидневные прогнозы, а дальше с ростом вычислительных мощностей можно будет увеличивать прогнозируемый период. Но не бесконечно. Существует понятие предела предсказуемости, его ввел американский ученый Эдвард Лоренц (американский математик и метеоролог, известный как автор «эффекта бабочки») — согласно этому пределу погоду можно прогнозировать на две, максимум три недели вперед. Связано это с неизбежными ошибками в начальных данных.
Впрочем, с ростом вычислительных мощностей появляются способы повысить качество прогноза даже при условии ошибок в начальных данных. Если обычный метод составления прогноза называется детерминированным — то есть единожды определенным, то в последние годы популярность набирает ансамблевый метод прогнозирования. Для этого ошибки в начальных данных искусственно «возмущаются», и прогноз погоды рассчитывается не один раз, а 10, 20, 30 — в развитых вычислительных центрах ансамбли считаются до 50-60 раз. Ансамблевый прогноз позволяет составить «дерево вероятностей» — «а что, если погода поменяется в ту или иную вероятную сторону?» Понятно, что подобные вероятностные расчеты возможны только на самом современном суперкомпьютерном оборудовании, и вот там запас для роста совершенно невероятный.
Сотрудники Росгидромета отмечают, что для того, чтобы перейти к вероятностным расчетам, нужно подготовить и потребителя, привыкшего к крайне простым, детерминированным прогнозам: «+15, солнечно, без осадков», не оставляющим никаких сомнений. 40 лет назад в США внедрялись вероятностные методы прогнозирования, но население их не приняло. Сейчас — возможно, в связи с информатизацией всех слоев населения — реакция на подобные прогнозы более благожелательная.
Конкурентоспособность отечественной метеорологии во многом определяется технической базой — в те годы, когда производилась закупка и установка нового оборудования, как это было в девяностых с суперкомпьютером Cray Y-MP, мы оказывались в первой десятке метеорологических служб планеты. Как только возникала пауза в переоборудовании вычислительного центра Росгидромета, мы начинали отставать от зарубежных коллег. Однако в рамках Всемирной Метеорологической Организации существует целый ряд стандартов, которые обеспечивают погодную информацию со всего земного шара. Каждая страна старается сделать свой вклад в Глобальную Систему Телесвязи, при помощи которой метеорологи собирают информацию, ведь погода у соседей играет существенную роль в собственном прогнозе. В 90-х, когда в нашей стране по понятным причинам начала разрушаться метеорологическая сеть, американские метеорологи это моментально почувствовали — заметно ухудшилось качество их прогнозов на 4-й…5-й день — особенно при условии отсутствия погодных данных в Сибири. Понятно, что и обратное верно: даже в самые худшие годы мы всегда имели прогнозы США, Великобритании, Франции и других стран — и для потребителя не было резкого скачка качества.
Вот как комментирует это Владимир Анцыпович, глава вычислительного центра Росгидромета: «Метеорология — необычная отрасль. Не существует проблем, коллизий и сложных отношений между национальными метеорологическими службами, входящими в состав Всемирной Метеорологической Организации. Абсолютно все заинтересованы в том, чтобы каждая национальная метеорологическая служба работала лучше, и наблюдения были точнее».
Не стесняйтесь вступать в ряды читателей компании Intel на Хабре.
Спасибо за внимание, продолжение следует.
Успехов!
Ниже — краткий экскурс в историю метеорологии и то, как работает Росгидромет и другие современные метеорологические службы.
У метеорологии большая история — первым метеорологом, по-видимому, был Аристотель, написавший одноименный трактат об изменениях погоды; в последующие века наблюдением за погодой и систематизацией знаний о ней занимались во всех концах планеты. Однако метеорология как мы ее знаем — а это динамическая метеорология, то есть прогнозирование погоды при помощи математических уравнений гидромеханики и термодинамики — возникла сравнительно недавно.
Термину «прогноз погоды» (“weather forecast”) мы обязаны вспыльчивому капитану Роберту «Горячий кофе» Фитц-Рою, почти пять лет плававшему вместе с Дарвином во время второго путешествия Бигля в середине позапрошлого века. Фитц-Рой обнаружил, что характеристики погоды связаны с давлением воздуха, а в зрелые годы возглавил метеорологический отдел в Министерстве торговли, создал несколько моделей барометров и наладил сбор данных от капитанов, приходивших в порт — короче, занялся тем, чем занимаются все современные метеорологи.
Современные метеорологи пользуются уравнениями норвежца Вильгельма Бьеркнеса, основателя Бергенской научной школы в метеорологии — решение уравнений гидродинамики, выведенных им, и есть не что иное, как прогноз погоды. Практическое применение эти уравнения нашли только в пятидесятых годах прошлого века, когда начали появляться ЭВМ, способные рассчитать их для достаточно большой территории — первый прогноз погоды считался американскими метеорологами на первом же компьютере ЭНИАК при помощи Джона фон Неймана — всю свою историю метеорология не обходится без известных людей.
Первые отечественные вычисления погоды начались в 1961-м году на ЭВМ М20, выполнявшей 20 тысяч операций в секунду. Время работы М20 на отказ — 15 минут; погодная модель считалась гораздо дольше, поэтому сотрудниками Гидрометцентра приходилось идти на различные ухищрения. Сама специфика погодных вычислений такова, что компьютерная техника используется двадцать четыре часа в сутки, семь дней в неделю, круглый год — погода никогда не перестает меняться, так что Гидрометцентр был и остается серьезной тестовой площадкой для суперкомпьютеров: до середины семидесятых, когда отечественные компьютерные разработки сменились аналогами машин IBM, Гидрометцентр получал первые серийные номера советских ЭВМ.
С марта прошлого года в Гидрометцентре запущены две суперкомпьютерные системы SGI Altix производительностью 11 и 16 Тфлопс — более чем в миллиард раз быстрее, чем первая ЭВМ М20. Между тем, прогнозы погоды с тех пор не стали в миллиард раз точнее. Точность прогнозирования погоды связана с вычислительными ресурсами, но не линейно. Во-первых, упоминавшиеся уравнения имеют только приближенные решения. Во-вторых, буквально до последнего времени эти уравнения приходилось упрощать, чтобы прогноз погоды рассчитывался достаточно быстро, иначе точный суточный прогноз мог бы считаться пару лет. В-третьих, нерешенной проблемой всегда будет оставаться точность и оперативность измерений метеостанций и зондов — у всех приборов есть погрешности, и понятно, что данные от зондов и погодных станций приходят не одномоментно — сбор и нормализация данных это тоже отдельная непростая задача.
Тем не менее, точность прогнозов растет. Атмосферные процессы рассчитываются по сетке, наложенной на карту страны. Еще 20 лет назад шаг такой сетки составлял 300 километров — можно было запросто пропустить какой-нибудь небольшой циклон. Этой весной в Росгидромете начали рассчитывать две погодные модели для ограниченных территорий (они называются мезомасштабными), одна из них — трехсоткилометровая область над Москвой. Шаг такой сетки — 3 километра, так что при таком масштабе и наличии вычислительных мощностей можно переходить даже к описанию отдельных физических процессов, что, разумеется, благоприятно сказывается на качестве прогноза.
Роман Вильфанд, глава Росгидромета: «Сейчас прогноз погоды в Москве можно рассчитывать с шагом в 3 километра, а вообще мы планируем через 3 года увеличить это разрешение до километра. К Олимпиаде в Сочи мы будем стремиться к описанию процессов через полкилометра, потому что в условиях сложной орографии Сочи нужно еще более детальное описание погоды, чем на равнине. Для нас Сочи будет спецпроцектом. Сейчас рано говорить об административном решении, но в рамках наших исследовательских и других программ мы готовимся к Олимпиаде».
25-27 лет назад качество прогноза погоды на один день вперед было таким же, как сейчас на третий день — заметный прогресс. Современные вычислительные ресурсы позволяют увеличить и период времени, на который делается прогноз. Сейчас прогноз в Росгидромете строится максимум на шесть дней. Успешность подобного прогноза на первый день — 95-96%, в прогнозе на каждый следующий день успешность понижается на 2-3%. К концу этого года в Росгидромете появятся семидневные прогнозы, а дальше с ростом вычислительных мощностей можно будет увеличивать прогнозируемый период. Но не бесконечно. Существует понятие предела предсказуемости, его ввел американский ученый Эдвард Лоренц (американский математик и метеоролог, известный как автор «эффекта бабочки») — согласно этому пределу погоду можно прогнозировать на две, максимум три недели вперед. Связано это с неизбежными ошибками в начальных данных.
Впрочем, с ростом вычислительных мощностей появляются способы повысить качество прогноза даже при условии ошибок в начальных данных. Если обычный метод составления прогноза называется детерминированным — то есть единожды определенным, то в последние годы популярность набирает ансамблевый метод прогнозирования. Для этого ошибки в начальных данных искусственно «возмущаются», и прогноз погоды рассчитывается не один раз, а 10, 20, 30 — в развитых вычислительных центрах ансамбли считаются до 50-60 раз. Ансамблевый прогноз позволяет составить «дерево вероятностей» — «а что, если погода поменяется в ту или иную вероятную сторону?» Понятно, что подобные вероятностные расчеты возможны только на самом современном суперкомпьютерном оборудовании, и вот там запас для роста совершенно невероятный.
Сотрудники Росгидромета отмечают, что для того, чтобы перейти к вероятностным расчетам, нужно подготовить и потребителя, привыкшего к крайне простым, детерминированным прогнозам: «+15, солнечно, без осадков», не оставляющим никаких сомнений. 40 лет назад в США внедрялись вероятностные методы прогнозирования, но население их не приняло. Сейчас — возможно, в связи с информатизацией всех слоев населения — реакция на подобные прогнозы более благожелательная.
Конкурентоспособность отечественной метеорологии во многом определяется технической базой — в те годы, когда производилась закупка и установка нового оборудования, как это было в девяностых с суперкомпьютером Cray Y-MP, мы оказывались в первой десятке метеорологических служб планеты. Как только возникала пауза в переоборудовании вычислительного центра Росгидромета, мы начинали отставать от зарубежных коллег. Однако в рамках Всемирной Метеорологической Организации существует целый ряд стандартов, которые обеспечивают погодную информацию со всего земного шара. Каждая страна старается сделать свой вклад в Глобальную Систему Телесвязи, при помощи которой метеорологи собирают информацию, ведь погода у соседей играет существенную роль в собственном прогнозе. В 90-х, когда в нашей стране по понятным причинам начала разрушаться метеорологическая сеть, американские метеорологи это моментально почувствовали — заметно ухудшилось качество их прогнозов на 4-й…5-й день — особенно при условии отсутствия погодных данных в Сибири. Понятно, что и обратное верно: даже в самые худшие годы мы всегда имели прогнозы США, Великобритании, Франции и других стран — и для потребителя не было резкого скачка качества.
Вот как комментирует это Владимир Анцыпович, глава вычислительного центра Росгидромета: «Метеорология — необычная отрасль. Не существует проблем, коллизий и сложных отношений между национальными метеорологическими службами, входящими в состав Всемирной Метеорологической Организации. Абсолютно все заинтересованы в том, чтобы каждая национальная метеорологическая служба работала лучше, и наблюдения были точнее».
Не стесняйтесь вступать в ряды читателей компании Intel на Хабре. Спасибо за внимание, продолжение следует.
Успехов!
