Сегодня на всей планете по несколько раз в день производятся гидрометеорологические наблюдения и собираются миллиарды данных, зарегистрированных наземными метеостанциями, метеозондами, океанскими буями и спутниками. Весь этот громадный поток фактических данных направляется в центры обработки информации, оснащённые, как правило, специализированными мощными компьютерами. В мировом списке топ−500 подобных вычислительных систем значится только несколько десятков суперкомпьютеров, предназначенных для прогнозирования погоды из-за сложности учёта параметров и факторов. 

Задачи прогноза погоды и моделирования изменений климата (задачи решаются на разных машинах) включают в себя множество разных аспектов. Фундаментальная их основа – это законы физики, термодинамики, математики. Конечно, при моделировании геофизических течений в атмосфере или в океане возникают сложности. Главная же заключается в том, что учёные имеют дело с огромным диапазоном пространственных масштабов. Например, необходимо учитывать планетарные процессы — пассаты, муссоны, циклоны, антициклоны, течения Мирового океана. Помимо этого, существуют мельчайшие атмосферные вихри, особенности конкретных регионов и т.д. Воспроизвести каждый из них в рамках одной математической модели в настоящий момент технически невозможно из-за того, что компьютеры необходимой мощности ещё не созданы. Тем не менее, уже работают трёхмерные модели термогидродинамики атмосферы, которые успешно применяются при прогнозе погоды.

Сегодня даже глобальные модели прогноза погоды имеют горизонтальное разрешение всего лишь до 10–100 км (некоторые опасные явления могут проскочить мимо такой «сетки»). Можно ожидать, что в ближайшие 10–20 лет появятся модели с километровым разрешением. Речь идет не просто о формальном улучшении пространственного разрешения. Здесь возникает множество технологических вопросов, которые нужно решить, поскольку при улучшении пространственного разрешения, увеличивается общая вычислительная сложность, то есть время расчёта на машине.

Кроме решения технологических проблем, другое направление посвящено добавлению новых физических процессов и объектов в модели климата и погоды. Суть в том, что суша очень неоднородная в отличие от океана или атмосферы. На её поверхности располагается растительность, водоёмы, снежный покров, ледники, и, конечно, объекты, построенные человеком, — урбанизированные территории, связанные между собой процессами антропогенного, технологического характера.

Сегодня многие эти процессы ещё даже не включены в модели прогноза погоды, климата, а некоторые представлены лишь схематично и упрощенно. Поэтому большой потенциал развития систем прогноза заключается в том, чтобы процессы, представленные упрощенно, заменить в перспективе на алгоритмы, более явно воспроизводящие физическую суть.

Отметим, что в ТОР−500 самых мощных вычислительных систем мира вошли 7 российских суперкомпьютеров (три суперкомпьютера Яндекса, два — ПАО «Сбербанк», по одному от МГУ и ПАО «МТС»), но «погодных» среди них нет.

Развитие науки и практики, как прогноза погоды, так и моделирования будущих климатических изменений, сегодня ограничивается доступными вычислительными ресурсами. Каждый суперкомпьютер — это супер энергетически ёмкий инструмент. Он потребляет огромное количество энергии. И поэтому даже в Англии, где обновлению суперкомпьютеров уделяют большое внимание, возникла достаточно серьёзная дискуссия о том, что использование вычислительных систем также вносит ощутимый вклад в глобальное потепление.

Подробно о затронутой теме и значении суперкомпьютеров можно узнать на портале «Научная Россия».