Цифровой двойник Земли моделирует климат и погоду с разрешением 1,25 км — arXiv

Прогнозы погоды известны своей неточностью, а климатическое моделирование — еще более сложная задача. Несмотря на это, с каждым годом мы всё лучше предсказываем, что принесет природа. Этот процесс обеспечивается улучшением моделей и ростом вычислительных мощностей. Хотя прогресс не такой быстрый, как хотелось бы, он неизбежен.

Совсем недавно произошел крупный прорыв — был создан цифровой двойник Земли, объединивший прогнозирование погоды с климатическим моделированием. Это решение открывает новые горизонты в области точности и эффективности предсказаний. Статья о новинке была опубликована на arXiv в виде препринта.

Новый этап в прогнозировании погоды и климатическом моделировании

Создание цифрового двойника Земли — это не просто очередной шаг в развитии климатического моделирования. Это настоящий прорыв в объединении краткосрочных прогнозов погоды и долгосрочных климатических моделей с использованием сверхвысоких разрешений. Этот цифровой двойник разделяет всю поверхность планеты на квадраты по 1,25 км, давая возможность отслеживать атмосферные изменения над каждым из этих участков. В результате получаем более 670 миллионов расчетных ячеек, что значительно повышает точность и детализацию предсказаний.

Как работает модель?

Модель включает два типа процессов: "быстрые" и "медленные". К "быстрым" процессам относятся циклы воды и энергии — это и есть сама погода. Чтобы отслеживать эти процессы с высокой точностью, требуется разрешение 1,25 км. Для этой задачи используется модель ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic), разработанная Немецкой метеорологической службой и Институтом метеорологии Макса Планка. Эти процессы моделируются с высокой детализацией, что позволяет учитывать все особенности перемещения атмосферных масс.

"Медленные" процессы включают углеродный цикл, изменения в биосфере и геохимию океана. Эти процессы требуют более долгосрочных моделей, поскольку они могут длиться годы и десятилетия, а не несколько часов, как в случае с погодой. Именно этот уникальный подход, когда быстрые и медленные процессы интегрированы в одну модель с высоким разрешением, и стал настоящим прорывом. Ранее такие модели могли работать только с разрешением более 40 км.

Как преодолели технологические барьеры?

Чтобы реализовать эту модель, ученым пришлось преодолеть несколько серьезных технологических барьеров. Модель, изначально написанная на языке Фортран, была адаптирована с помощью фреймворка Data-Centric Parallel Programming (DaCe). Это позволило использовать современные вычислительные системы.

Основной вычислительной платформой стали суперкомпьютеры JUPITER в Германии и Alps в Швейцарии, построенные на чипах NVIDIA GH200 Grace Hopper. Эти чипы предназначены для работы с большими объемами данных и активно используются для обучения искусственного интеллекта. Совмещение процессоров ARM Grace с графическими чипами Hopper позволило разделить вычислительные задачи: на GPU выполняются "быстрые" процессы, а "медленные" модели — на CPU. Такое разделение вычислительных задач позволило значительно повысить производительность и ускорить обработку данных.

Традиционные модели и цифровой двойник Земли

А что если…

Что, если в будущем такие сложные и точные модели станут доступны для более широкого круга исследователей и синоптиков? Это откроет новые горизонты для точных прогнозов погоды и долгосрочных климатических изменений. Возможно, с развитием технологий и увеличением вычислительных мощностей, такие симуляции станут доступными и для коммерческого использования, что позволит прогнозировать не только погоду, но и изменения в климате с высокой точностью.

Плюсы и минусы цифрового двойника Земли

Ошибка → Последствие → Альтернатива

Ошибка: использование моделей с низким разрешением для долгосрочных прогнозов.

Последствие: недостаточно точные прогнозы, особенно для климатических изменений.

Альтернатива: применение высокоразрешающих моделей, как в случае с цифровым двойником Земли.

FAQ

Как работает цифровой двойник Земли?
Цифровой двойник объединяет прогнозирование погоды и климатическое моделирование с разрешением 1,25 км, используя суперкомпьютеры и чипы NVIDIA.

Какие процессы моделируются?
Модель отслеживает как быстрые (погода), так и медленные (углеродный цикл и изменения в биосфере) процессы Земли.

Какие технологии используются для работы модели?
Используются суперкомпьютеры JUPITER и Alps, а также новейшие чипы NVIDIA GH200 Grace Hopper.

Мифы и правда

Миф: цифровые двойники Земли доступны для широкого использования.
Правда: это прорывное достижение, пока доступное только крупным научным центрам.

Миф: модели с низким разрешением могут точно прогнозировать климатические изменения.
Правда: для точности необходимы модели с высоким разрешением, как в случае с цифровым двойником.

Миф: для точных климатических прогнозов достаточно простых моделей.
Правда: высокое разрешение и интеграция быстродействующих и медленных процессов существенно улучшают прогнозы.

3 интересных факта

1. Модель с разрешением 1,25 км позволяет точно отслеживать как погоду, так и климат.
2. Используя более 1 триллиона степеней свободы, модель достигла "временного сжатия" в 145,7.
3. Это одно из самых сложных климатических моделей, созданных на основе суперкомпьютеров.

Исторический контекст

Разработка цифрового двойника Земли — это результат десятилетий работы в области климатического моделирования и прогнозирования погоды. В течение многих лет ученые искали способы повышения точности прогнозов и смогли объединить различные типы данных в одну модель с таким высоким разрешением. Эта работа требует применения самых современных вычислительных технологий и открывает новые горизонты в изучении климатических изменений.

Цифровые двойники планет, а также возможность их использования в реальном времени, станут возможными в ближайшем будущем благодаря росту вычислительных мощностей. Сегодня мы наблюдаем, как такие технологии, как суперкомпьютеры и чипы NVIDIA, становятся основой для революционных изменений в области прогнозирования погоды и климатических исследований.