Supercomputació: un ingredient essencial per assolir avenços en les prediccions climàtiques i del temps

La gent sempre s’ha sentit fascinada per la mera possibilitat d’aconseguir donar un cop d’ull al futur. Segles enrere, endevins com Nostradamus eren molt buscats i tenien rols principals a les altes esferes de la societat del seu temps. Avui en dia, la ciència moderna permet predir alguns aspectes del futur. Un d’aquests aspectes és predir com el temps (de dies a mesos vista) i el clima (d’anys a dècades vista) evolucionaran. Les prediccions del temps i les projeccions climàtiques són essencials per salvar les diverses formes de vida i definir les estratègies que limitin l’escalfament global, així com adaptar-nos al canvi climàtic. Els meteoròlegs i els científics climàtics són, d’alguna manera, els endevins d’avui. La diferència amb els d’abans és que les prediccions d’avui es basen en la ciència moderna i en les observacions i els increïbles avenços de l’últim segle.

La nostra capacitat de predir el temps, monitorar com el clima del nostre planeta ha canviat i estimar com canviarà, ha millorat substancialment en les últimes dècades. Aquestes capacitats -dit ras i curt: els sistemes de predicció climàtica i del temps- se sustenten en cinc ingredients clau:

1. Els models numèrics que utilitzen les lleis físiques per descriure l’evolució dels diferents components del sistema de la Terra (l’atmosfera, el sòl i els rius, els oceans, la criosfera i la biogeosfera).
2. Els milions d’observacions diàries recopilades de les estacions de meteorologia i els satèl·lits.
3. Les tècniques d’assimilació de dades que són usades per mesclar aquestes observacions amb models per crear les millors reconstruccions del present o del passat i de les quals s’inicialitzen les prediccions del temps.
4. Les tècniques per combinar pronòstics que permeten descriure el nivell de confiança de les prediccions utilitzant un set d’escenaris que defineixen probabilitats.
5. Les infraestructures i tecnologies de supercomputació.

Els models actuals permeten predir tendències globals en els canvis de la temperatura de la superfície terrestre, però no són capaços de predir els canvis a una escala regional d’una forma suficientment precisa com per a poder informar de com adaptar-s’hi i elaborar estratègies per mitigar-ne els efectes

Les prediccions numèriques del temps han experimentat una silenciosa revolució en les últimes dècades. Les prediccions globals del temps com les que fa el European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) pels seus Estats Membres, inclòs Espanya, han continuat millorant significativament. Les prediccions del temps a sis dies vistes avui, són tan bones com les prediccions a quatre dies vista de fa vint anys. Aquesta revolució no hauria sigut possible sense els constants avenços en els quatre ingredients científics hem llistat més amunt. I cap d’aquests s’hauria produït sense el cinquè ingredient, la tecnologia i la capacitat de computació, les quals s’han doblat cada 18 mesos al llarg de les últimes cinc dècades.

Els models climàtics també han millorat per raons semblants, però els reptes que tenim per endavant i el moment clau que la nostra societat està vivint a causa de la crisi del canvi climàtic, exigeix avenços més ràpids i que vagin més enllà de la nostra capacitat de modelitzar el temps i el clima. Actualment, som capaços de predir fenòmens extrems com inundacions, huracans, sequeres i tempestes de vent, amb prou feines, amb una setmana d’antelació. Si fóssim capaços de predir aquests fenòmens amb major precisió i amb més temps de marge, això suposaria grans beneficis per a la societat i, també, a nivell financer. En termes de prediccions climàtiques, els models actuals permeten predir tendències globals en els canvis de la temperatura de la superfície terrestre, però no són capaços de predir els canvis a una escala regional d’una forma suficientment precisa com per a poder informar de com adaptar-s’hi i elaborar estratègies per mitigar-ne els efectes.

Per tal que aquest avenç en la ciència climàtica i dels temps succeeixi, cal una gran inversió en adaptar les capacitats dels nostres models climàtics i meteorològics i les seves infraestructures subjacents a l’arquitectura de la supercomputació

Amb els últims avenços en supercomputació, incloent-hi Europa gràcies a la substanciosa inversió tant de la Unió Europea com dels estats Membres, tenim a l’abast la possibilitat d’aconseguir avenços en la nostra habilitat de predir el temps i el clima a escala regional. Si fins fa poc temps les simulacions globals a una resolució de pocs quilòmetres eren un somni; ara ja no ho són. Recentment, l’ECMWF ha realitzat la seva primera simulació global a una escala d’1 quilòmetre, durant una estació sencera, amb un dels ordinadors més grans del planeta al Oak Ridge National Laboratory als estats Units d’Amèrica. El Max Planck Institute for Meteorology, a Alemanya, coordina esforços per generar simulacions multianuals amb resolucions de pocs quilòmetres amb diversos models. Amb aquestes resolucions, la majoria de processos físics importants per a l’evolució del nostre planeta es van resoldre directament a través de solucionar les lleis físiques i les assumpcions fetes per representar-les, les quals introdueixen errors sistèmics en els models d’avui en dia. Aquestes simulacions, per tant, ofereixen una promesa real d’increment en la precisió de les prediccions climàtiques i del temps.

De totes maneres, per tal que aquest avenç en la ciència climàtica i dels temps succeeixi, cal una gran inversió en adaptar les capacitats dels nostres models climàtics i meteorològics i les seves infraestructures subjacents a l’arquitectura de la supercomputació. La manera en què aquestes arquitectures emergents estan configurades es basa en els requeriments per optimitzar l’ús d’altres aplicacions, com la intel·ligència artificial o els videojocs. Els models climàtics i del temps no estan preparats per utilitzar els supercomputadors del demà. Els models necessiten ser transformats de tal manera que puguin ser usats amb els supercomputadors futurs i que siguin computacionalment tan barats com sigui possible. També necessitem construir infraestructures de modelatge resilients i flexibles que puguin tractar grans volums de dades i que permetin als usuaris explotar completament les dades de la manera més simple i eficient possible. Al llarg dels últims anys s’han estat fent esforços en aquesta direcció de forma contínua i, ara, s’estan accelerant amb el suport inapel·lable de la Unió Europea i els centres climàtics i meteorològics d’Europa, incloent-hi l’ECMWF i el Barcelona Supercomputing Centre, entre d’altres.