Využitie HPC v SHMÚ: Predpoveď počasia a modelovanie klímy

V poslednom čase sa slovenské vedecké prostredie stáva čoraz viac závislým od vysokovýkonných počítačových systémov (HPC). V tomto článku sa pozrieme na to, ako Slovenský hydrometeorologický ústav (SHMÚ) využíva HPC technológie pre presné predpovede počasia, modelovanie klímy a analýzu dát. Dr. Mária Derková z SHMÚ v zaujímavej prezentácii načrtla rozsiahle spektrum aplikácií HPC, od regionálnych poveternostných modelov až po výskum sucha a kvality ovzdušia.

Kľúčové poznatky

• HPC je kritická infraštruktúra: SHMÚ považuje svoj HPC systém za kľúčový prvok pre poskytovanie presných, detailných a včasných informácií o atmosférických podmienkach.
• Aladin model – srdce predpovede počasia: Aladin je regionálny numerický model predpovede počasia vyvíjaný v rámci európskej spolupráce Accord. SHMÚ ho využíva na krátkodobé predpovede, varovania a poskytovanie dát pre ďalšie aplikácie.
• Vysoké rozlíšenie je kľúčové: Zvýšením rozlíšenia modelov (napríklad na 750 metrov) je možné lepšie zachytiť drobné poveternostné javy, ako sú topografia a búrky.
• Ensemble predpovede – riešenie neurčitosti: Využitie ensemble predpovedí, kde sa spúšťajú viaceré modelové konfigurácie, umožňuje lepšie zohľadniť neistotu v predpovediach počasia a poskytuje cenné informácie pre varovania pred extrémami.
• Lokálne vyvinutý systém „run“: Dôležitým prvkom je lokálne vyvinutý systém „run“, ktorý automatizuje spúšťanie, monitorovanie a aktualizáciu HPC aplikácií, čím sa zvyšuje prevádzková efektivita.

História a súčasný stav HPC v SHMÚ

Cesta k dnešnému HPC systému bola dlhá. Už v roku 1998 začal SHMÚ využívať Aladin model na pracovných staniciach. Prvý superpočítač (IBM) získali v roku 2004 a odvtedy systém dvakrát modernizovali. Aktuálny HPC systém je založený na technológii NEC s Intel procesormi, disponuje takmer 10 000 CPU a dosahuje výkon blížiac sa k 650 teraflopom za sekundu – to predstavuje obrovský skok oproti predchádzajúcim generáciám.

Aladin model: Regionálna predpoveď počasia v detailoch

Aladin je numerický model, ktorý sa zameriava na regionálnu predpoveď počasia s vysokým rozlíšením. Používa sa pre krátkodobé predpovede, varovania a poskytuje dáta pre ďalšie aplikácie, ako napríklad modelovanie kvality ovzdušia. SHMÚ úzko spolupracuje s Európskym centrom strednodobých predpovedí počasia (ECMWF), čo umožňuje využívať ich zdroje a know-how.

Aplikácie HPC v SHMÚ: Viac ako len predpoveď počasia

HPC systém SHMÚ neslúži iba na predpoveď počasia. Dr. Derková predstavila širokú škálu ďalších aplikácií, ktoré využívajú výpočtový výkon HPC:

• Hydrologické modelovanie: Dáta z Aladin modelu sa používajú pre hydrologické modely (HBV & HEC) na predpovedanie prietoku a hladiny vody.
• Modelovanie kvality ovzdušia: Dáta s rozlíšením 2 km z Aladin modelu slúžia ako vstup do modelov kvality ovzdušia (CMAC), ktoré predpovedajú koncentráciu škodlivín, ako PM10, PM2.5, ozón a oxidy dusíka.
• Analýza vzdialeného videnia a zrážok: SHMÚ spracováva dáta zo satelitov a radarov na analýzu zrážok pomocou systému CREAT, čím sa zvyšuje presnosť predpovede.
• Výskum sucha a monitorovanie: HPC sa využíva pre výskum sucha a monitorovanie pomocou indexu SPEI (Standardized Precipitation Evaporation Index).

Budúcnosť HPC v SHMÚ: AI, ML a nové technológie

SHMÚ aktívne pracuje na ďalšom rozvoji využitia HPC. Medzi budúce smery patria:

• Aplikácie AI/ML: Výskum aplikácií umelej inteligencie (AI) a strojového učenia (ML) v oblasti predpovede počasia a kontroly kvality dát.
• Prechod na GPU: Adaptácia Aladin modelu pre grafické procesory (GPU), ktoré ponúkajú vyšší výpočtový výkon.
• Použitie single-precision výpočtov: Prechod z double-precision na single-precision výpočty s cieľom zlepšiť výkon systému.

Zhrnutie a záverečné úvahy

Prezentácia Dr. Derkovej ukázala, že HPC je pre Slovenský hydrometeorologický ústav nielen dôležitým nástrojom, ale aj kľúčovým faktorom pre poskytovanie kvalitných informácií o počasí a životnom prostredí. Neustále zlepšovanie modelov, využívanie nových technológií a spolupráca s európskymi partnermi sú základmi pre ďalší rozvoj HPC v SHMÚ a zabezpečenie presnejších predpovedí počasia pre občanov Slovenska. Je povzbudivé vidieť, ako sa slovenská veda dokáže prispôsobiť novým technológiám a využívať ich na zlepšenie kvality života.

Referencie a odkazy:

• Národné kompetenčné centrum pre HPC: https://www.hpc-sk.sk/
• Európske centrum strednodobých predpovedí počasia (ECMWF): https://www.ecmwf.int/

Približne 183 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.92 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.