Každý den provádějí meteorologové na celém světě miliony atmosférických a oceánských pozorování a měření. Využívají k tomu meteorologické balony, pozemní stanice, radary, lodě, letadla i družice. Aby byla předpověď v okamžiku svého vzniku stále ještě předpovědí, musí být vše zpracováno velmi rychle. Sečteno a podtrženo - úkol jako stvořený pro supervýkonné počítače.
Na základě mezinárodních dohod uzavřených v rámci OSN sdílejí jednotlivé státy společně prostřednictvím datových a telekomunikačních sítí všechna naměřená data, která tak v daném časovém okamžiku dohromady představují jakýsi globální snímek počasí na celém světě. Tento snímek pak lze pomocí propracovaných numerických modelů extrapolovat do budoucnosti a získat tímto způsobem meteorologickou předpověď. Vtip je v tom, že výpočty musejí předběhnout reálný vývoj počasí - čím více naměřených dat se podaří do modelu zahrnout a v definovaném čase zpracovat, tím bude výsledná předpověď počasí přesnější.
Globální měřítko
"Numerické modelování není jediným nástrojem, který meteorologové používají, představuje však velmi významný krok na cestě od meteorologického pozorování k výsledné předpovědi," říká Gábor Radnóti, ředitel divize numerických předpovědí Maďarské meteorologické služby.
Výstupem numerického modelování počasí tedy není hotová předpověď, jak ji známe ze sdělovacích prostředků (to není v silách ani těch nejvýkonnějších počítačů), ale vzniká tak jeden z klíčových podkladů, který je následně spolu s dalším fakty kvalifikovanými odborníky do podoby výsledné předpovědi interpretován.
Numerické modely jsou založeny na soustavách fyzikálně-matematických rovnic. Na jejich základě lze spočítat předpověď pro danou oblast na určité časově omezené období. Jedná se o složitý matematický problém, který je navíc potřeba vyřešit velice rychle, takže potřeba velmi výkonného hardwaru je evidentní.
Významným faktorem, který ovlivňuje přesnost numerického modelu (i když zdaleka ne jediným), je rozlišení prostorové sítě, v jejíchž uzlech jsou výpočty prováděny. U globálního modelu mapujícího počasí v celosvětovém měřítku se zpravidla používá rozlišení v rozmezí 50 až 100 km, nová právě testovaná a projektovaná hardwarová řešení však slibují možnost zvýšení tohoto rozlišení na 10 až 20 km, což by se mělo významně odrazit v detailnosti výsledných předpovědí.
Vytvořit globální model počasí na celém světě je z hlediska výpočetního výkonu velmi složitou záležitostí, kterou si mohou dovolit pouze meteorologické služby největších států nebo mezinárodní meteorologická sdružení. Patří mezi ně např. NCEP (National Centers for Environmental Prediction) ve Spojených státech nebo ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts), což je mezinárodní organizace osmnácti členských a pěti spolupracujících evropských států (ČR spolupracuje s ECMWF od roku 2001).
Modrá bouře
Právě v sídle ECMWF v anglickém Readingu je v průběhu letošního roku uváděn do provozu superpočítač Blue Storm, Jde o systém IBM eServer Cluster 1600, tvořený dvěma separátními clustery, z nichž každý sestává z 22 unixových serverů IBM eServer pSeries 690, známých také pod původním kódovým označením Regatta. Tento systém by měl dosáhnout výkonu 7 teraflops (7 bilionů operací za sekundu) a do roku 2004 se počítá s jeho dalším rozšiřováním až na 20 teraflops. To je 1 700krát větší výkon, než jakým disponoval známý počítač Deep Blue v legendárním šachovém utkání s Garrym Kasparovem.
S podobným systémem, jaký je právě zaváděn v ECMWF, počítají do tří let i v americkém NCEP.
Přesnost pro regiony
Maďarská meteorologická služba zpracovává dvakrát denně tzv. model na omezené oblasti (limited area model) ALADIN pro teritorium Maďarska. Byť jde o model omezený, i k jeho výpočtu je zapotřebí dostatečně těžký kalibr. Začátkem letošního roku proto i v Budapešti nasadili 32procesorový unixový server IBM eServer pSeries 690 (Regatta). Jde o vůbec první instalaci tohoto stroje v regionu střední a východní Evropy v plné 32procesorové konfiguraci.
"Předpovědi na 48 hodin děláme dvakrát denně a spočítány musejí být v průběhu hodiny, nanejvýš hodiny a půl," říká Radnóti.
Při zahrnutí všech fází předpovědního cyklu je tak finální předpověď z půlnočních dat k dispozici zhruba v 6 hodin ráno. Osmačtyřicet hodin je přitom maximální doba, na kterou se dá něco předpovědět z lokálního modelu, pro delší předpovědi je potřeba vycházet z modelu globálního.
"Výsledky získané z globálních modelů máme sice k dispozici v rámci mezinárodní výměny, vlastní omezený model však děláme proto, že má výrazně vyšší rozlišení - od ledna příštího roku budeme pracovat s rozlišením 6,5 km - a navíc je náš, takže může dobře zohledňovat všechny specifické potřeby regionu," říká Radnóti. "Můžeme tak dělat lepší lokální předpovědi."
Středoevropská spolupráce
Aktivity Maďarské meteorologické služby v oblasti numerického modelování jsou součástí mezinárodního projektu RC LACE (Regional Centre for Limited Area Modelling for Central Europe), jehož účastníci se spolupodílejí na vytváření numerického systému pro předpovědi počasí v regionu střední Evropy.
Skupina vznikla v roce 1994 za účasti České republiky, Chorvatska, Maďarska, Rakouska, Slovenska a Slovinska. Významným mezníkem v historii projetu bylo navázání spolupráce s francouzskou meteorologickou službou Meteo France, která dala k dispozici svůj superpočítač Cray J916/12 v Toulouse pro vývoj a provoz společného oblastního numerického modelu ALADIN/LACE. V roce 1998 pak byl tento model přenesen na vektorový počítač NEC SX4C/3A do Českého hydrometeorologického ústavu v Praze.
Všechny zúčastněné státy používají stejný numerický model na omezené oblasti ALADIN a podílejí se na jeho dalším zdokonalování. V různých zemích je přitom tento software provozován na různých, výlučně unixových hardwarových platformách. Ke značkám superpočítačů vyskytujícím se na tomto poli patří známá jména jako Cray, Fujitsu, HP/Compaq, IBM, NEC, SGI a objevují se i pokusy s linuxovými clustery. Přenos aplikace mezi platformami přitom není velkým problémem - podíl strojově závislého kódu lze odhadnout zhruba na 5 %.
Vzhledem k obrovskému nárůstu výkonu na straně hardwaru je dnes z hlediska dalšího zpřesňování předpovědí limitující právě vývoj softwaru. V současné době používaná verze systému ALADIN čítá zhruba 1 000 000 řádek strojového kódu a její vývoj dále pokračuje. Vylepšování jde nicméně krok za krokem a nelze očekávat žádné velké revoluční skoky. Modely se budou stále zpřesňovat a budou zahrnovat stále podrobnější informace o stavu a vývoji atmosféry a nejrůznějších projevů počasí, včetně těch extrémních. Role meteorologa však ještě dlouho zůstane nezastupitelná při interpretaci modelových výsledků pro lokální podmínky či jako určitá koncová pojistka.
"Životní cyklus takového modelu může být zhruba 20 let," uzavírá Radnóti. "Pak se zjistí, že model už není schopen dalšího vylepšování, a začne se vymýšlet něco nového."
Článek přinášíme ve spolupráci s časopisem Computerworld.
