Suurteholaskennasta apua sekä sään ennustamiseen että ilmastotutkimukseen
Sääennustusten ja etenkin pitkien ilmastomallikokeiden laskemiseen tarvitaan tänä päivänä yhä tehokkaampia tietokoneita. Ilmatieteen laitoksen käytössä on tällä hetkellä suurteholaskentakokonaisuus, joka on jaettu kahteen osaan. Suurteholaskentaa käytetään sääennusteiden tekemiseen, ilmastomallikokeisiin sekä laitoksen tutkimusprojekteihin.
Supertietokoneilla ajetut sääennustemallit ovat tänä päivänä sääennustustyön kivijalka. Toisen osan kivijalkaa muodostavat vallitseva säätilanne ja siihen liittyvät havainnot, mutta pelkkiä havaintoja käyttämällä ei voida tehdä kovin tarkkaa ennustetta edes vuorokaudeksi. Siksi supertietokoneet ovat nykyään välttämättömiä.
”Kun mennään esimerkiksi 12 - 24 tunnin mittaisiin ennusteisiin, numeeriset mallit ovat lähes ainoa keino laatia ennuste”, sanoo Ilmatieteen laitoksen ylimeteorologi Ari-Juhani Punkka. Numeeristen mallien rooli ennustustyössä kasvoi huomattavasti 1980-luvulla. Ennustekyky parani 1990- ja 2000-luvulla edelleen merkittävästi, kun malleihin alettiin syöttää lähtötiedoksi satelliittidataa. ”Vielä 80- ja 90-luvulla kävi joskus niin, että mallit eivät onnistuneet nappaamaan kiinni pienikokoisia myrskykeskuksia ja lopputuloksena saattoi olla pahasti pieleen mennyt ennuste. Nykyään tämä on harvinaista, mutta joskus mallien antamat ratkaisut poikkeavat paljonkin toisistaan. Näin kävi esimerkiksi kesän 2011 juhannusviikon myrskyssä”, Punkka kertoo. Jos supertietokoneissa ja ennustemallien laskennassa on häiriöitä, se näkyy nopeasti. Ennusteita joudutaan tällöin tekemään vanhan tiedon varassa.
Supertietokoneet vielä melko harvinaisia
Ilmastonmuutostutkimuksen parissa työskentelevä erikoistutkija Petri Räisänen kertoo tarvitsevansa omassa työssään supertietokoneita ilmastomallikokeisiin sekä ajoittaisiin pienempiin projekteihin. Supertietokoneita tarvitaan, sillä ilmastomallit ovat laskennallisesti raskaita. ”Laskeminen ei periaatteessa ole teknisesti mahdotonta tavallisella pc:llä, mutta aivan liian hidasta. Kun ajetaan vaikka 100 vuoden malliajoa, ilmakehä jaetaan satoihin tuhansiin laskentapisteisiin, ja jokaisessa pisteessä lasketaan esimerkiksi vartin välein useita tekijöitä kuten lämpötilaa ja tuulen nopeutta.” Kapasiteettia siis tarvitaan, ja varsinkin rinnakkaislaskennan kannalta supertietokoneet ovat välttämättömiä.
Räisänen kertoo ajaneensa ilmastomalleja supertietokoneilla noin seitsemän vuotta. Ennen kuin Ilmatieteen laitos sai ensimmäisen supertietokoneensa vuonna 2005, käytössä olivat tieteen tietotekniikan keskus CSC:n koneet. Supertietokoneet eivät ole kansainvälisellä tasolla vielä itsestäänselvyys, vaikka tarvetta niille onkin. Ilmatieteen laitoksen suurteholaskentakokonaisuus on kaksiosainen, josta toinen osa on varattu sääennusteiden ajamiselle ja toinen toimii ns. varajärjestelmänä. Poikkeustilanteita lukuun ottamatta varajärjestelmä on tutkimuksen käytössä. Tämä on perusteltua myös resurssien käytön takia: ”Olisi järjetöntä antaa kalliin järjestelmän seisoa käyttämättömänä koko 3-4 vuoden käyttöikänsä”, Räisänen toteaa. Supertietokoneita voivat tarvita useat eri yksiköt, joten koneilla vallitsee tietynlainen jonosysteemi. Niin paljon ruuhkaa ei kuitenkaan ole, etteikö koneita pääsisi säännöllisesti käyttämään.
”Supertietokoneiden kanssa työskentely on minulle kausittaista, mutta periaatteessa ihan ’näkkileipätyötä’”, Räisänen sanoo. Viime aikoina supertietokoneilla tehtävää suurteholaskentaa on hyödynnetty ilmastonmuutostutkimuksessa mm. pilvien ja säteilyn vuorovaikutukseen, ilmakemiaan ja stratosfäärin otsoniin, aerosolimallinnukseen sekä maaperän hiilivarastoihin liittyvissä tutkimushankkeissa. ”Suuri osa suurteholaskennasta on suhteellisen näkymätöntä työtä, jonka pohjimmaisena tavoitteena on ilmastomallien parantaminen ja sitä kautta ilmastoennusteiden luotettavuuden parantaminen”, Räisänen kiteyttää.
Suurteholaskennasta apua myös kansainvälisiin projekteihin
Supertietokoneet ovat tulleet tutuiksi myös erikoistutkija Kari Luojukselle. Hän on toiminut projektipäällikkönä Euroopan avaruusjärjestö ESA:n vuonna 2008 alkaneessa GlobSnow -projektissa, jonka onnistumisessa supertietokoneilla on ollut merkittävä rooli.
Projektissa luodaan lumipeitteistä pitkän aikavälin päivittäinen aikasarja käyttäen laskennassa suureina lumen vesiarvoa ja lumen peittoalaa. Luojus kuvailee supertietokoneiden käyttöönottoa näin: ”Projektin alussa huomasimme, että projektin puitteissa tuotettavan 30 vuoden aikasarjan laskenta tulee olemaan erittäin haastavaa. Meillä olisi ollut mahdollisuuksia yksinkertaistaa laskentaa, tarkkuuden kustannuksella, mutta kun atk-puolella oli sopivasti uuden supertietokoneen testikäyttö meneillään niin päädyimme muokkaamaan softamme superkoneella prosessoitavaksi. Pöytäkoneilla prosessointiin olisi mennyt 20 vuotta - superkoneella 30 vuoden aikasarjan laskemiseen menee noin kuukauden päivät”, Luojus kertoo. Jopa supertietokoneilla dataa on tosin usein prosessoitava paloissa, sillä superkoneenkin kovalevy on rajallinen – yhteensä 40 teratavua.
Suomi on lumipeitettä kartoittavassa tutkimuksessa maailman kärkimaita. Luojuksen mukaan 30 vuoden päivittäinen aikasarja lumipeitteen vesiarvosta on eurooppalaisellakin tasolla uniikki. Projektin lopputuotteet ovat vapaasti ladattavissa internetissä. ”Jos kukaan ei pääse hyödyntämään tuloksia, ei niistä ole tieteellisessä mielessä paljon iloa. On myös hyvä saada näkyvyyttä ja palautetta”, Luojus toteaa.
Supertietokoneita ja käytössä olevia menetelmiä kehitetään jatkuvasti, joten aikasarjoja ajetaan monesti uudelleen menetelmien kehittyessä parhaan lopputuloksen aikaansaamiseksi.
Lisätietoja:Ylimeteorologi Ari-Juhani Punkka, puh. (09) 19293630, ari-juhani.punkka@fmi.fiErikoistutkija Kari Luojus, puh. (09) 19294683, kari.luojus@fmi.fiErikoistutkija Petri Räisänen, puh. (09) 19292224, petri.raisanen@fmi.fi