Supercomputación: un ingrediente esencial para lograr adelantos en las predicciones climáticas y del tiempo

La gente siempre se ha sentido fascinada por la mera posibilidad de conseguir dar un vistazo al futuro. Siglos atrás, adivinos como Nostradamus eran muy buscados y tenían roles principales en las altas esferas de la sociedad de su tiempo. Hoy en día, la ciencia moderna permite predecir algunos aspectos del futuro. Uno de estos aspectos es predecir como el tiempo (de días a meses vista) y el clima (de años a décadas vista) evolucionarán. Las predicciones del tiempo y las proyecciones climáticas son esenciales para salvar las diversas formas de vida y definir las estrategias que limiten el calentamiento global, así como adaptarnos al cambio climático. Los meteorólogos y los científicos climáticos son, de alguna manera, los adivinos de hoy. La diferencia con los de antes es que las predicciones de hoy se basan en la ciencia moderna y en las observaciones y los increíbles adelantos del último siglo.

Nuestra capacidad de predecir el tiempo, monitorizar como el clima de nuestro planeta ha cambiado y estimar como cambiará, ha mejorado sustancialmente en las últimas décadas. Estas capacidades -dicho simple y llanamente: los sistemas de predicción climática y del tiempo- se sustentan en cinco ingredientes clave:

1. Los modelos numéricos que utilizan las leyes físicas para describir la evolución de los diferentes componentes del sistema de la Tierra (la atmósfera, el suelo y los ríos, los océanos, la criosfera y la biogeosfera).
2. Las millones de observaciones diarias recopiladas de las estaciones de meteorología y los satélites.
3. Las técnicas de asimilación de datos que son usadas para mezclar estas observaciones con modelos para crear las mejores reconstrucciones del presente o del pasado y de las cuales se inicializan las predicciones del tiempo.
4. Las técnicas para combinar pronósticos que permiten describir el nivel de confianza de las predicciones utilizando un set de escenarios que definen probabilidades.
5. Las infraestructuras y tecnologías de supercomputación.
   

   Los modelos actuales permiten predecir tendencias globales en los cambios de la temperatura de la superficie terrestre, pero no son capaces de predecir los cambios en una escala regional de una forma suficientemente precisa como para poder informar de cómo adaptarse y elaborar estrategias para mitigar los efectos

   Las predicciones numéricas del tiempo han experimentado una silenciosa revolución en las últimas décadas. Las predicciones globales del tiempo como las que hace el European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF)) para sus Estados miembros, incluido España, han continuado mejorando significativamente. Las predicciones del tiempo a seis días vistas hoy, son tan buenas como las predicciones a cuatro días vista de hace veinte años. Esta revolución no habría sido posible sin los constantes adelantos en los cuatro ingredientes científicos hemos listado más arriba. Y ninguno de estos se habría producido sin el quinto ingrediente, la tecnología y la capacidad de computación, las cuales se han doblado cada 18 meses a lo largo de las últimas cinco décadas.

   Los modelos climáticos también han mejorado por razones parecidas, pero los retos que tenemos por adelantado y el momento clave que nuestra sociedad está viviendo a causa de la crisis del cambio climático, exige adelantos más rápidos y que vayan más allá de nuestra capacidad de modelizar el tiempo y el clima. Actualmente, somos capaces de predecir fenómenos extremos como inundaciones, huracanes, sequías y tormentas de viento, apenas, con una semana de antelación. Si fuéramos capaces de predecir estos fenómenos con mayor precisión y con más tiempo de margen, esto supondría grandes beneficios para la sociedad y, también, a nivel financiero. En términos de predicciones climáticas, los modelos actuales permiten predecir tendencias globales en los cambios de la temperatura de la superficie terrestre, pero no son capaces de predecir los cambios en una escala regional de una forma suficientemente precisa como para poder informar de cómo adaptarse y elaborar estrategias para mitigar los efectos.

   Para que este adelanto en la ciencia climática y del tiempos suceda, hace falta una gran inversión en adaptar las capacidades de nuestros modelos climáticos y meteorológicos y sus infraestructuras subyacentes a la arquitectura de la supercomputación

   Con los últimos adelantos supercomputación, incluyendo Europa gracias a la sustanciosa inversión tanto de la Unión Europea como de los estados miembros, tenemos al alcance la posibilidad de conseguir adelantos en nuestra habilidad de predecir el tiempo y el clima a escala regional. Si hasta hace poco tiempo las simulaciones globales a una resolución de pocos kilómetros eran un sueño; ahora ya no lo son. Recientemente, el ECMWF ha realizado su primera simulación global en una escala de 1 kilómetro, durante una estación entera, con uno de los ordenadores más grandes del planeta en el Oak Ridge National Laboratory en los estados Unidos de América. El Max Planck Institute for Meteorology, en Alemania, coordina esfuerzos para generar simulaciones multianuales con resoluciones de pocos kilómetros con varios modelos. Con estas resoluciones, la mayoría de procesos físicos importantes para la evolución de nuestro planeta se resolvieron directamente a través de solucionar las leyes físicas y las asunciones hechas para representarlas, las cuales introducen errores sistémicos en los modelos de hoy en día. Estas simulaciones, por lo tanto, ofrecen una promesa real de incremento en la precisión de las predicciones climáticas y del tiempo.

   De todos modos, para que este adelanto en la ciencia climática y del tiempos suceda, hace falta una gran inversión en adaptar las capacidades de nuestros modelos climáticos y meteorológicos y sus infraestructuras subyacentes a la arquitectura de la supercomputación. La manera en que estas arquitecturas emergentes están configuradas se basa en los requerimientos para optimizar el uso de otras aplicaciones, como la inteligencia artificial o los videojuegos. Los modelos climáticos y del tiempo no están preparados para utilizar los supercomputadores del mañana. Los modelos necesitan ser transformados de tal manera que puedan ser usados con los supercomputadores futuros y que sean computacionalmente tan baratos como sea posible. También necesitamos construir infraestructuras de modelado resilientes y flexibles que puedan tratar grandes volúmenes de datos y que permitan a los usuarios explotar completamente los datos de la manera más simple y eficiente posible. A lo largo de los últimos años se han estado haciendo esfuerzos en esta dirección de forma continua y, ahora, se están acelerando con el apoyo inapelable de la Unión Europea y los centros climáticos y meteorológicos de Europa, incluyendo lo ECMWF y el Barcelona Supercomputing Centre, entre otros.