Точная настройка прогнозов ночных штормов на равнинах

Равнины Среднего Запада США известны своими драматичными штормами: торнадо, градом, грозами. Но одна особенность этих штормов ставила исследователей в тупик: почему их частота достигает пика ночью? Сюгуан Ван, доцент метеорологии в Университете Оклахомы, входит в команду проекта PECAN (Plains Elevated Convection At Night), целью которого является улучшение понимания и прогнозирования ночных осадков в теплое время года за счет более эффективного использования данных и моделирования.

Для лучшего понимания динамики этих штормов исследовательские группы, поддерживаемые Национальным научным фондом (NSF), Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), NASA и Министерством энергетики США, собирали данные до и во время ночных гроз. Цель — выяснить, что их запускает, как атмосфера поддерживает их жизненный цикл и каково их влияние на жизнь, имущество, сельское хозяйство и водный баланс региона.

В июне и июле 2015 года команда Ван использовала суперкомпьютер Stampede в Техасском центре передовых вычислений для запуска прогнозов в реальном времени. Эти прогнозы помогали командам, развертывающим более 35 различных научных инструментов (включая Doppler on Wheels и самолеты NASA и NOAA), определить оптимальные места для сбора максимально полезных данных.

Прогнозы команды Ван выходят за рамки традиционных численных предсказаний, используя метод ассимиляции данных. В этом подходе данные реальных измерений с поля непрерывно поступают в прогностические модели по мере их вычисления, а не только в начале, что обеспечивает более точную оценку места возможного формирования шторма. Это создает петлю обратной связи: ассимиляция данных улучшает прогнозы, которые, в свою очередь, повышают эффективность сбора наблюдений.

Создание таких насыщенных данных прогнозов было крайне ресурсоемким. Для точной оценки команда использовала ансамблевый прогноз — метод, при котором параллельно выполняется множество симуляций с разными начальными условиями. Ежедневно производилось два прогноза на срок до 48 часов. Каждая симуляция использовала более 1000 процессоров суперкомпьютера Stampede параллельно, что эквивалентно работе нескольких сотен отдельных компьютеров.

Даже после полевой кампании команда продолжает анализировать данные на Stampede, чтобы выявить факторы, вызывающие возникновение и развитие шторма, и включить это понимание в будущие прогнозы. Анализ ансамблевых прогнозов позволяет определить, какие особенности данных наиболее критичны для предсказания шторма, и назначить им веса для будущих расчетов. Этот подход, как отмечает программный директор NSF Чунгу Лу, незаменим для понимания широкого спектра прогностических проблем, поскольку машины помогают нашему разуму понять физическое явление.