Исследователи впервые запустили глобальную модель атмосферы с горизонтальным шагом сетки всего 220 метров. Расчёт на японском суперкомпьютере Fugaku позволил рассмотреть внутреннюю структуру грозовых облаков гораздо подробнее и убрал одну заметную ошибку моделей, которые часто рисуют слишком мощные локальные ливни.
Прогнозные модели не просчитывают воздух в каждой точке пространства. Атмосферу делят на расчётную сетку и для каждой ячейки вычисляют температуру, давление, влажность, движение воздуха и другие параметры. Чем меньше расстояние между соседними точками, тем более мелкие процессы способен увидеть компьютер. Обычные глобальные климатические модели работают с десятками километров, а самые подробные современные системы приблизились к нескольким километрам.
Новая симуляция сократила горизонтальный шаг сначала до 3,5 км, затем последовательно до 1,7 км, 870, 440 и наконец 220 метров. По вертикали атмосферу разделили на 78 уровней. На последнем этапе сетка стала достаточно мелкой, чтобы модель начала напрямую воспроизводить отдельные восходящие и нисходящие потоки внутри глубоких конвективных облаков.
Подобный способ расчёта называют моделированием крупных вихрей. Компьютер сам рассчитывает крупные движения воздуха и часть турбулентности, а процессы мельче сетки всё ещё приходится описывать приближённо. При шаге в несколько километров одна мощная восходящая струя может занимать целую расчётную область. На сетке 220 метров модель уже разбивает её на несколько меньших потоков, что заметно меняет картину осадков.
Особенно хорошо разница проявилась на сильных ливнях. Километровые модели слишком часто создавали небольшие изолированные зоны с осадками интенсивностью примерно 20–80 мм/ч. Исследователи называют этот известный артефакт popcorn-like precipitation, то есть осадками, которые вспыхивают на карте отдельными пятнами. По мере уменьшения шага сетки чрезмерно сильные локальные ливни появлялись реже, а умеренные осадки распределялись по территории равномернее.
Для наглядного сравнения исследователи изучили состояние атмосферы 5 августа 2016 года, когда над западной частью Тихого океана находился тайфун Омайс. При шаге 3,5 км облака и зоны дождя получались крупными и сглаженными. Сетка 220 метров показала более тонкие дождевые полосы, небольшие ячейки осадков и сложную систему вертикальных воздушных потоков внутри шторма.
Высокое разрешение, однако, не исправило все слабые места модели. Количество низких и высоких облаков заметно менялось в зависимости от того, каким математическим методом исследователи описывали турбулентность мельче сетки. Авторы поэтому считают результаты с осадками обнадёживающими, но признают, что расчёт облачности пока остаётся гораздо менее устойчивым.
Цена детализации тоже пока исключает подобный подход из обычных прогнозов погоды. Самый подробный вариант моделировал лишь восемь часов атмосферы и задействовал до 81 920 вычислительных узлов Fugaku одновременно. Исследователи рассматривают расчёты с шагом 220 метров прежде всего как эталон, с которым можно сравнивать более грубые и намного дешёвые модели.
Следующая цель лежит ещё глубже, около десятков метров. При подобной сетке компьютер сможет напрямую рассчитывать значительно большую часть турбулентных движений и облачных процессов. Пока даже крупнейшие суперкомпьютеры упираются примерно в уровень 220 метров, поэтому глобальная атмосфера с детализацией почти до масштаба городской улицы остаётся прежде всего научным экспериментом.