„Който не знае нищо, вярва на всичко.“

Създаване на интегрирани модели на земната система. Доскоро традиционните океански модели работеха в „принудителен“ режим, без да засягат атмосферата. А повечето атмосферни модели се основават на опростено отчитане на влиянието на океана и други среди върху времето. С появата на суперкомпютрите се появиха предпоставките за създаване на унифицирани модели на земната система.

Обединяването обикновено става чрез използване на готови модели на отделни системни компоненти, между които се обменя информация за състоянието на параметрите, представляващи интерес за всеки един от модулите на системата.

Консорциумът NUOPC, в рамките на проекта ESMF (Earth System Modeling Framework), разработи редица приложения, предназначени да изградят унифициран модел на Земята. Тези приложения се основават на използването на четири основни типа общи компоненти:

– Драйвер: Осигурява обвързване на модели, посредници и конектори, координиране на работата.
– Модел: обикновено изпълнява конкретен физически модул, например като атмосфера, океан, морски лед, вълни и др.

– Посредник: Използва се за комуникация между модели.
– Конектор: свързва двойки компоненти и извършва прости трансформации.
С помощта на инструментариума ESMF процесът на комбиниране на модели на физическите компоненти на земната система в едно цяло е опростен. В този случай става възможно да се конструират различни видове комбинирани модели.

На рис. 5 като пример има схеми за интегриране на модели, използващи ESMF инструментариум.

Рис. 5. Примери за схеми за комбиниране на модели на физически компоненти на земната система посредством ESMF

С описания метод за интегриране на моделите, грешките от един модул могат да бъдат въведени в друг модул, намалявайки точността на прогнозиране при използване на комбинирания модел.

Ансамбълно прогнозиране. Единственият реалистичен начин за получаване на вероятностни прогнози, както и един от начините за увеличаване на лимита на предвидимост на времето, се разпознава изчисляването на определен набор от числови прогнози – ансамбълът на прогнозите. Изчисляването на такива ансамбли в онлайн режим започва в началото на 90-те години.

Системите за ансамбъл за прогнозиране (EPS) са NWP системи, които позволяват оценка на несигурността в прогнозата за времето, както и на най-вероятния резултат. Вместо еднократно стартиране на NWP модела (детерминистична прогноза), моделът се изпълнява много пъти с малко по-различни начални условия. Има и други начини за симулиране на „хаотичната“ природа, свързана с различни модели или методи за параметризиране на физическите процеси. Поради високата цена на многократните серии на NWP модели, EPS обикновено се изпълнява с по-груба хоризонтална разделителна способност от детерминираните NWP модели. EPS обикновено включва контролна прогноза, която използва модела на ансамбъла на разделителна способност, но без никакви смущения. Отделните NWP решения, които съставляват ансамбъла, често се наричат членове на ансамбъла. Поредица от различни решения в прогнозата ви позволява да оцените несигурността на прогнозата и колко уверени можете да бъдете в детерминирана прогноза.

Схемата на ансамбъловата прогноза е показана на рис. 6. Първоначалното състояние и резултатите от детерминираната контролна прогноза са отбелязани с кръст. Черните кръгове са действителното време в съответните времеви точки. Белите кръгове отбелязват възмутени прогнози. Сивите диаграми отляво и отдясно показват разпределението на вероятностите за началното и крайното състояние.

Рис. 6. Схема за прогнозиране на ансамбъл с нарушени първоначални условия

Черните линии показват позицията на действителните данни (дебела линия) и детерминираната прогноза (тънка линия). Разсейването в ансамбъла нараства с времето, докато средната стойност на получените прогнози с достатъчно голям брой членове на ансамбъла и добре подбрано смущение може да се окаже по-точна от резултата от детерминирана прогноза. Това е основата за благоприятния ефект от използването на предсказващи ансамбли. Освен това наличието на няколко прогнози с определен спред за един и същи период дава възможност да се оцени вероятността от определени метеорологични явления, т.е. да се получи вероятностна прогноза.

Необходими външни условия за създаване на съвременни системи за НПП. Редица проучвания подчертават централната роля на развитието на инфраструктурата, институционалните и човешките ресурси за подобряване на NWP и климата през следващите десетилетия. Значението на привеждането в съответствие на изследванията и развитието на моделирането с компютърните тенденции е признато и се подчертава необходимостта от създаване на професионални структури за стимулиране и човешки ресурси, за да се гарантират инвестиции в ключови дейности като разработване на модели, прогнозни информационни технологии, методи за вземане на решения.

Без да засягаме проблемите на обучението на персонала, институционални, организационни и други външни фактори, ще засегнем развитието на киберинфраструктурата на настоящия етап от развитието на методите на NWP от субсезонния диапазон.

Оценки на необходимите изчислителни ресурси за субсезонен NWP. Съществуват редица оценки на изчислителните ресурси, необходими за изграждане на съвременни числени модели за прогнозиране на състоянието на природната среда. Като се вземе предвид съвкупността от фактори, влияещи върху производителността на изчисленията се оценява необходимостта от увеличаване на изчислителната мощност за S2S прогнозиране с 1000 пъти. Въз основа на това изчислителната мощност, използвана от ВМС на САЩ, ще изисква около 3 екзафлопса мощност за решаване на проблеми с прогнозирането на S2S. Този вид компютър все още не съществува. По програмата HPCMP, за целите на NAVO, космическият център Stennis инсталира нов суперкомпютър на американския флот Cray Shasta, наречен Narwhal, един от 25-те най-мощни компютъра в света, с капацитет от 10 пентафлопса, през 2020 г. Очаква се въвеждането му в експлоатация в началото на 2021 г.

Така международната хидрометеорологична общност постави задачата за безпроблемно прогнозиране на времето и климата на физическата система на Земята като стратегическа задача. Решаването на този проблем се усложнява от присъщата случайност на природните процеси. В същото време увереността в успеха на решаването на проблема се основава на наличието на квазипериодични природни процеси в широк диапазон от пространствено-времеви мащаби. Основните направления в развитието на NWP са създаването на унифицирани модели на земната система, разработването на ансамблови методи за прогнозиране и развитието на изчислителната мощност. Други области за подобряване на S2S прогнозирането изискват отделно разглеждане. Военноморските сили на САЩ участват изцяло в решаването на този проблем, който също заслужава независимо разглеждане.