Trong lịch sử loài người, có nhiều phương pháp dự báo thời tiết được áp dụng, như dựa trên kinh nghiệm theo dõi, xác suất thống kê, quan sát ảnh mây vệ tinh, radar, hoặc những thiết bị đơn sơ như phong vũ biểu... để đưa ra dự báo về tình hình thời tiết. Với sự phát triển của công nghệ, những phương pháp này dần được số hóa và được xử lý bởi siêu máy tính để cho ra kết quả dự báo với tốc độ ngày càng nhanh và độ chính xác cao, đặc biệt hữu ích trong các hình thái thời tiết phức tạp như bão.
Một trong những mẫu siêu máy tính thời tiết và khí hậu thuộc Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ (NOAA ), mới được đưa vào sử dụng tháng 6. Nó có sức mạnh tính toán 12,1 petaflop, tức có thể thực hiện hơn 12 triệu tỷ phép tính mỗi giây và dùng trong phương pháp dự báo thời tiết số NWP (Numerical Weather Prediction) - phương pháp dự báo thời tiết chính xác nhất hiện nay.
Siêu máy tính 12,1 petaflop được trang bị tai NOAA hồi tháng 6 năm nay. Ảnh: NOAA
Siêu máy tính dự báo thời tiết như thế nào
Theo Discover Magazine, thời tiết hiểu một cách đơn giản là sản phẩm của việc bầu khí quyển di chuyển xung quanh trái đất. Khi di chuyển, chúng mang theo các đặc tính về nhiệt độ, độ ẩm từ nơi này đến nơi khác, đồng thời tuân theo những phương trình, định luật vật lý nhất định. Vì vậy, con người có thể đưa ra các dự báo dựa trên các tính toán. Với lượng dữ liệu khổng lồ, thay đổi liên tục, những siêu máy tính mới có thể đáp ứng được nhanh chóng nhu cầu này.
Để thực hiện dự báo, đầu tiên, siêu máy tính cần lượng dữ liệu quan trắc lớn về đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến thời tiết. Các dữ liệu này được thu thập từ các trạm thời tiết, radar, hình ảnh vệ tinh... sau đó được xử lý, làm sạch trước khi đưa vào mô hình xử lý.
Theo trang Essearth, những dữ liệu phù hợp với tình hình thời tiết sẽ được chọn lọc và sử dụng, thông qua quá trình được gọi là "đồng hóa dữ liệu". Sau đó, siêu máy tính sử dụng các số liệu đưa vào thực hiện các phương trình phức tạp nhằm xác định dòng chảy của chất lỏng trong khí quyển, đại dương, từ đó có những thông tin đầu tiên về tình hình thời tiết trong tương lai.
Dựa trên thông tin này, máy tính sẽ tiếp tục chạy phần mềm để trực quan hóa dữ liệu, giúp nhà khí tượng học dễ dàng đưa ra dự báo hơn trước khi chia sẻ với công chúng. Hàng loạt phần mềm và công cụ lập trình được sử dụng trong suốt quá trình này, như Python, C ++, MATLAB, NetCDF4 hay GrADS. Để tăng độ chính xác, một số hệ thống còn cho chạy các dự báo NWP từ 20 đến 30 lần, với sự thay đổi nhẹ trong thông số, sau đó tổng hợp thành kết quả cuối cùng, nhằm giảm sai số, tăng độ chính xác cho dự báo.
Kết quả của một dự báo được đưa ra bởi siêu máy tính. Ảnh: Essearth
Tuy nhiên, không phải dự báo nào từ siêu máy tính cũng chính xác và giống nhau, mặc dù cùng dựa trên các định luật vật lý. Điều này đến từ quá trình mô phỏng các quy tắc vật lý và "dịch" thành ngôn ngữ để máy tính có thể hiểu được. Mỗi mô hình có cách dịch khác nhau, dẫn đến đầu vào có thể khác nhau. Ngoài ra, mỗi mô hình có thể lại ưu tiên dự đoán cho các loại dữ liệu như tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm. Một số mô hình phục vụ cho dự báo diện rộng, một số khác dự báo cho từng khu vực, hoặc một số mô hình chuyên phục vụ dự báo bão, dẫn đến các kết quả khác nhau.
Vì sao dự báo bão ngày càng chính xác
Theo Technology Review, ngoài các sai số nói trên, sự hỗn loạn trong trung tâm cơn bão cũng như cách thức một cơn bão mạnh lên, trong nhiều trường hợp vẫn còn là bí ẩn với các nhà khí tượng học. Đây cũng là thách thức với các siêu máy tính dự báo bão. Tuy nhiên, tình trạng này đang dần được cải thiện nhờ năng lượng tính toán ngày càng mạnh của các siêu máy tính.
Máy tính càng mạnh, khả năng tính toán càng nhanh và có thể giúp các nhà dự báo thực hiện các tính toán chi tiết hơn. Thông thường, họ sẽ chia nhỏ địa cầu thành các ô nhỏ, gọi là "độ phân giải", với kích thước vài chục km. Từ việc dự báo cho từng ô này, dữ liệu sẽ được tổng hợp lại và đưa ra dự báo cho cả vùng. Trong đợt nâng cấp năm 2018, hệ thống dự báo toàn cầu đa năng (GEFS) đã có thể thu nhỏ độ phân giải từ 34 km xuống còn 25 km.
Sức mạnh tính toán của các siêu máy tính dự báo thời tiết trong thập kỷ qua. Ảnh: NWS
Trong thông báo của NOAA khi tiếp nhận hệ thống siêu máy tính hồi tháng 6 vừa qua, cơ quan này đánh giá khả năng lưu trữ và tính toán nâng cao sẽ cho phép họ triển khai các mô hình có độ phân giải cao hơn, đồng thời kiểm soát tốt hơn các tính năng như giông bão, sự hình thành của các đám mây và lượng mưa.
Năm 2018, những siêu máy tính của cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ có khả năng tính toán 8,4 petaflop (tương đương khả năng thực hiện 8,4 triệu tỷ phép tính mỗi giây). Đến cuối năm 2021, cơ quan này đã nâng cấp lên loại máy tính 12,1 petaflop, mạnh hơn khoảng 150 nghìn lần so với các máy tính xách tay thông thường. Bù lại, chúng cũng có kích thước lớn gấp ba loại cũ và tiêu tốn khoảng 300-500 triệu USD để hoạt động trong thập kỷ tới.
Theo thống kê trong hai thập kỷ năm trở lại đây của Trung tâm dự báo bão nước Mỹ, sai số về khả năng dự báo đường đi của bão đã giảm từ 100 dặm (160 km) năm 2005, xuống còn (104 km) vào năm 2020. Kết quả dự báo cường độ bão trong 48 giờ cũng giảm sai số 20-30% trong giai đoạn này.
