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Comment deux nouveaux supercalculateurs amélioreront les prévisions météorologiques
Chacune des améliorations apportées par le Service météorologique national des États-Unis a la taille de 10 réfrigérateurs, a une capacité de 12,1 pétaflops et aidera à prévoir les tempêtes aggravées par le changement climatique.
27 octobre 2021
Daniel Zender
Lorsque l'ouragan Michael a touché terre sur la côte du golfe de Floride en octobre 2018, il s'agissait d'une tempête de catégorie 5, avec des vents de plus de 150 milles à l'heure. Le National Hurricane Center des États-Unis avait initialement prédit qu'ils atteindraient moins de la moitié.
Michael est passé par un processus appelé intensification rapide, où un ouragan développe des vitesses de vent massivement plus élevées en peu de temps. Et les experts ne l'ont pas vu venir.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2021
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Prédire le chaos qui est au centre d'un ouragan et comprendre comment les tempêtes se renforcent reste un défi pour les prévisionnistes. Mais armés de meilleurs modèles et de plus d'expérience, ils ont prédit avec précision que l'ouragan Ida, qui a frappé la Nouvelle-Orléans en septembre de cette année, s'intensifierait rapidement, bien que la tempête se soit encore renforcée plus qu'ils ne l'avaient prévu.
Les supercalculateurs ont fait partie de ces améliorations en prédisant où, quand et comment les tempêtes pourraient frapper. Et d'ici la fin de 2021, le National Weather Service (NWS) des États-Unis recevra deux supercalculateurs flambant neufs. Son Une mise à niveau ils espèrent poursuivre la marche régulière vers des prévisions plus précises, qui deviendront encore plus essentielles à mesure que le changement climatique continue d'alimenter des tempêtes plus intenses.
L'agence utilisera les nouvelles machines dans les prévisions opérationnelles - le système que les prévisionnistes utilisent pour faire des prédictions comme celles des nouvelles du soir. Une fois que l'agence les aura entièrement examinés, probablement en juillet 2022, les nouveaux superordinateurs devraient aider les météorologues à mieux tout prévoir, des risques de pluie à Denver aux risques qu'un ouragan frappe Miami.
Chaque supercalculateur (un en Virginie et un en Arizona, donc il y a toujours une sauvegarde) a environ la taille de 10 réfrigérateurs et a une capacité de 12,1 pétaflops. Flops signifie opérations en virgule flottante par seconde, donc 12,1 pétaflops signifie que les supercalculateurs peuvent effectuer un peu plus de 12 quadrillions de calculs par seconde. Il s'agit d'une énorme mise à niveau - presque le triple de la taille de l'ancien système - et coûtera environ 300 à 500 millions de dollars au cours de la prochaine décennie.
Au début de ma carrière, les choses se sont souvent produites sans avertissement, car la technologie n'était pas très bonne et les avertissements n'étaient pas toujours aussi précis, dit Stefkovich. Vous ne le voyez plus autant.
Les mises à niveau de la capacité de calcul sont un élément important des améliorations récentes des prévisions de la trajectoire et de l'intensité des ouragans, selon Michel Brenan , chef de l'unité de spécialistes des ouragans au National Hurricane Center.
Les prévisions comme celles publiées par l'équipe de Brennan sont faites par des humains qui trient différents modèles et décident comment synthétiser les informations.
Les projections des trajectoires des ouragans sont devenues de plus en plus précises au cours des 30 dernières années à mesure que les modèles météorologiques à grande échelle et les ordinateurs qui les exécutent se sont améliorés. Les erreurs moyennes dans les prédictions de la trajectoire des ouragans sont passées d'environ 100 milles en 2005 à environ 65 milles en 2020. La différence peut sembler minime lorsque les tempêtes peuvent atteindre des centaines de kilomètres de large, mais lorsqu'il s'agit de prédire où les pires effets d'un ouragan se produiront, chaque petit mouvement compte, dit Brennan.
Comprendre et prévoir l'intensité des ouragans a été plus difficile que de prévoir leur trajectoire, car la force d'un ouragan est déterminée par des facteurs plus locaux, comme la vitesse du vent et la température au centre d'une tempête. Pourtant, les prévisions d'intensité ont également commencé à s'améliorer au cours de la dernière décennie. Les erreurs de prévision d'intensité à 48 heures ont diminué de 20 à 30 % entre 2005 et 2020.
Propulser les prédictions
Lors de la construction de modèles pour prédire quelque chose d'aussi compliqué que la météo, il est facile d'aspirer des ressources informatiques supplémentaires, dit Brian Gross , directeur du NWS Environmental Modeling Center.
Chacun des superordinateurs du NWS, à 12,1 pétaflops, est environ 150 000 fois plus puissant qu'un ordinateur portable ordinaire.
Les modèles peuvent bénéficier de la puissance de calcul de plusieurs manières, et chaque modèle peut rapidement augmenter d'énormes quantités de capacité. Un modèle peut devenir plus complexe en assimilant plus d'informations ou en utilisant une physique plus compliquée pour mieux représenter le monde. Dans un modèle météorologique, cela pourrait signifier plus de détails sur les processus dans l'océan lorsque l'on considère la fréquence des ouragans.
Une plus grande puissance de calcul pourrait également permettre à un modèle d'être plus précis géographiquement. Les modèles météorologiques fonctionnent en divisant le globe en un tas de morceaux et en essayant de calculer ce qui se passera dans chacun d'eux. Un modèle à plus haute résolution divisera le globe en fragments plus petits, ce qui signifie qu'il y en a plus à prendre en compte.
Enfin, les chercheurs peuvent mettre en place ce qu'on appelle un modèle d'ensemble, qu'ils exécutent jusqu'à 20 ou 30 fois. Chacune de ces exécutions est effectuée dans des conditions légèrement différentes pour voir en quoi les prédictions diffèrent. Les résultats sont ensuite compilés et considérés ensemble.
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Vous avez probablement déjà vu des modèles d'ensemble dans les prévisions d'ouragans. Considérez une tempête qui commence dans l'océan Atlantique. Si une prévision d'ensemble contient une grande variété de résultats, avec la tempête se dirigeant vers le Texas dans certains et longeant la côte Est dans d'autres, elle a de nombreuses trajectoires plausibles. Mais si les membres de l'ensemble montrent tous la tempête frappant la côte du golfe de Floride, les prévisionnistes peuvent être plus certains de l'endroit où elle atterrira.
Les mises à niveau précédentes du supercalculateur ont conduit à des améliorations dans plusieurs domaines pour certains modèles, comme le tout-usage Système mondial de prévision d'ensemble (GEFS). En 2018, la dernière fois que le système a été mis à niveau, NWS a augmenté sa résolution de 34 kilomètres à 25 kilomètres et le nombre de modèles dans l'ensemble de 21 à 31.
Les changements et la précision des prévisions qui en a résulté ont facilité la vie d'officiels comme Jim Stefkovitch , un météorologue de l'Agence de gestion des urgences de l'Alabama qui aide le gouvernement de l'État à se préparer aux risques météorologiques. Au début de ma carrière, les choses se sont souvent produites sans avertissement, car la technologie n'était pas très bonne et les avertissements n'étaient pas toujours aussi précis, dit Stefkovich. Vous ne le voyez plus autant.
Mais même aujourd'hui, les signaux des météorologues ne sont pas toujours clairs pour le public, qui peut ne pas être à l'écoute de chaque tempête ou ne pas comprendre la différence entre une veille de tempête (des conditions dangereuses sont attendues) et un avertissement de tempête (ils ' ont déjà été observées). Si les gens ne savent pas comment réagir, une meilleure prévision ne les aidera pas vraiment à rester en sécurité, dit Stefkovich.
Cela s'est produit pendant Ida, dit-il. Les prévisions de la trajectoire de la tempête et de sa force étaient exactes quelques jours auparavant. Mais en partie à cause d'une mauvaise communication, des dizaines de personnes ont perdu la vie et des millions ont perdu l'électricité ou ont vu leur maison ou leur voiture endommagée.
Le changement climatique signifie que le risque de conditions météorologiques extrêmes va probablement s'aggraver. Les prévisionnistes espèrent que de meilleures prévisions, communiquées de la bonne manière, peuvent aider les gens à prendre de meilleures décisions lorsque les tempêtes arrivent.