Climateprediction - výzkum klimatu u vás doma

V tomto článku vám chceme já a Honza nastínit základní popis a fakta projektu climateprediction.net na kterém se jako tým velmi úspěšně podílíme. V první části sem se podíval na historii tohoto projektu, v části druhé Honza popsal o co vlastně v projektu jde. Nakonec sepíšu základní výhodu a nevýhodu projektu, to pro ty co ještě neví jestli se do modelování klimatu pustit či nikoliv. Věřím, že tím odpovíme na asi nečastější otázku týkající se tohoto projektu a tou je "Co se vlastně počítá?" V článku a třeba ve fóru se často setkáte mimo jiné se zkratkou CPDN to není nic jiného než zkratka názvu projektu climateprediction.net

Vznik a historie

Vznik projektu se datuje druhou polovinou roku 1999. 14.října 1999 napsal Myles Allen článek pro časopis Nature s názvem Do-it-yourself climate prediction - Udělej si vlastní předpověď počasí. V článku nastínil možnosti jak je možné předpovídat budoucí změny klimatu pomocí množství obyčejných počítačů. Článek ve formátu PDF naleznete tady. Na stránkách časopisu Nature ho najdou jen platící návštěvníci nebo členové Americké a Kanadské akademie patologie :-).

V roce 2000 se začalo na projektu intenzivně pracovat. Vznikla spolupráce do níž se zapojil David Stainforth z Oxfordskské univerzity, britský meteorologický ústav, Rutherford Appleton Laboratory sídlící v Oxfordshire v Anglii a University of Reading z Berkshire. Jak je vidět všechny hlavní instituce zapojené do vývoje projektu sídlí ve Velké Británii. V roce 2002 dostal projekt další impulz, tentokrát finanční a to ze strany Ministerstva obchodu a průmyslu Velké Británie a Národní rady pro výzkum životního prostředí. V této době začal projekt nabírat konkrétní obrysy a podobu a bylo možné využít poznatky z dalších britských univerzit, namátkou Oxford University Computing Laboratory a Open University.

Možná vás to překvapí, ale původně se projekt jmenoval Casino-21 a to podle simulace podnebí 21. století metodou, kterou matematikové nazývají Monte Carlo. Až v roce 2001 dostal projekt jméno climateprediction.com. Poslední změna názvu proběhla v roce 2002 a to na dnes používaný název climateprediction.net. Možná si říkáte, že změna z com na net je nepodstatná, ale změna měla vyjádřit, že se nejedná o komerční projekt. První alfa testy začaly na sklonku roku 2002. Na jaře roku 2003 začalo beta testování, během celého roku 2003 se do projektu zapojovalo čím dál víc odborníků na podnebí a zemské klima. Pro veřejnost byl projekt otevřen 12.září 2003 a to s nebývalým úspěchem, během prvních pár dní se do CDPN zapojilo přes 25 000 lidí z celého světa. Všude se píše během prvního víkendu, ale 12.09.2003 bylo pondělí, tak předpokládám, že to bylo během prvního týdne. :-)

V červnu 2004 se začalo s rozšiřováním projektu. Rozšiřování se neslo na vlně ohlasu a popularity amerického snímku "The Day After Tomorrow". Do CPDN se přidal další experiment zkoumající vliv teplo-slaného koloběhu ( ThermoHaline Circulation zkráceně THC - neplést si s chemickou sloučeninou TetraHydroCannabinol obsaženou v konopí) na zpomalování oteplování zemského klimatu.  Jako zpráva z dávné minulosti působí fakt, že v té samé době byl předělaný web projektu, aby se na něj mohli podívat i uživatelé jiného prohlížeče než ... ano Internet Exploreru.

Na konci června, konkrétně 30.06.2004 byl první CPDN Den otevřených dveří přístupný všem co se na CPDN podílejí. Zůčastnilo se ho na sedm desítek lidí. Vystoupil zde např. již zmiňovaný Myles Allen a nebo David Anderson, člověk těsně spjatý s tehdy vznikající platformou BOINC. Honza, který mi s tímto článkem pomáhá, tak tam byl jen tak náhodou taky :-)

Tip: Spoustu dalších informací ze Dne otevřených dvěří naleznete na této stránce.

Co následovalo je asi všem jasné, naznačil to již předchozí odstavec. Projekt se 26.srpna 2004 přesunul pod BOINC na které v té běžely projekt SETI@home a připravoval se LHC@home. Výhody BOINCu zde asi nemá cenu podrobně vypisovat, tak jen ty nejdůležitější; možnost podílet se na několika projektech najednou, klient existuje pro většinu platforem kromě Windows také pro Linux/Unix,Solaris. V neposlední řadě, lze grafický výstup modelu použít jako screensaver.

Co se vlastně počítá?

Projekt je rozdělen do několika experimentů, během nichž se zjišťuje a ověřuje množství údajů, které pak poslouží v dalších fázích výpočtů. Ty zde v krátkosti popíši - více informací v agličtině je tady.

Ještě než se do toho pustíme, bude užitečné alespoň v bodech a velmi zjednodušeně naznačit, o co v předpovídání klimatu jde. Jako první a úplně zásadní je, že nejde o předpovídání počasí ale klimatu, tj. dlouhodobé trendy. Další v bodech:

• energetická rovnováha Země - spočívá mj. v bilanci pohlceného a odraženého slunečního záření (Země zachycuje 1 dvoumiliardtinu Sluneční energie ve formě IČ, viditelného elm. záření a UV)
• samosebou, množství - množství pohlcené sluneční energie není rovnoměrné; největší je na rovníku, nejmenší na pólech
• sama atmosféra, resp. její složení počínaje vodní parou přes známé skleníkové plyny jako CO2, N2O či CH4 až po mikroskopické částečky prachu (ze sopečné činnosti) a aerosoly, v různé míře ovlivňuje množství odražené a zpět do vesmíru vyzářené energie.
• energetický tok na povrchu a nad povrchem Země zajišťují i další procesy, jako je odpařování vody (energie stoupá do vyšších výšek), mraky a déšť (ovlivňují množství odraženého světla) a jejich pohyb (z rovníkových oblastí distribuují teplo do mírného pásu), podmořské oceánské proudy (viz film The Day After Tomorrow/Den poté), interakce vodní plochy a vzduchu, různá odrazivost souše, vody, sněhu a ledu atp.

Výše uvedené body jsou v různé míře zohledněny při výpočtu buď formou interakce jevů samotných, parametricky (např. množství CO2, velikost dešťových kapek, rychlost kondenzace vody) nebo počátečními podmínkami (např. množství a rozložení mraků, vlhkost, teploty, vektorové pole větru)

Experiment 0 aneb jak to všechno začalo

V pilotním projektu šlo o to, odzkoušet smysluplné parametry modelu a vůbec zjistit, jak takto distribuovaný výpočet bude fungovat. Původně byly tyto klimatické modely počítány na 64-bitových superpočítačích Cray a zdrojáky ve Fortranu a tak sama skutečnost, že to celé běží na vcelku běžných 32-bitových desktopech je udivující. Bylo třeba také vyzkoušet komunikaci klient-server, databáze a mnoho dalšího co s distribuovanými výpočty souvisí. Betatestování začalo v květnu 2003 a jeli jsme přes prázdniny, aby se poté mohl spustit projekt oficiálně i pro veřejnost.

Experiment 1 aneb smysluplné parametry

Jak už bylo napsáno výše, v září 2003 se projekt oficiálně rozjel a to s nečekaným úspěchem. A co to teď vlastně počítáme? Používá se model zjednodušený, tzv. atmosphere-ocean global circulation model (AO-GCM). Zjednodušenost spočívá v tom, že oceán je reprezentován jenom jednou vrstvou, což má mimo jiné důsledek, že atmosféra rychleji reaguje na změny teploty (oceán ji nestačí akumulovat). Právě zaměření na změny teploty, dosažení rovnováhy a podobně je předmětem této fáze experimentu a poznatky pak budou použity dále. Prozkoumání různých parametrů na jednodušším ? a tedy výpočetně méně náročném ? modelu umožní redukci potřebného množství výpočtů v dalších fázích. Experiment 1 momentálně běží pod BOINCem.

Model jako takový a jeho fáze

Model funguje tak, ze Země je po 2.5° šířky a 3.75° délky rozdělena na 96*72 buněk. Každá buňka má 19 výškových úrovní (1 na oceán + atmosféra), celkem to dělá 131,328 buněk. Pro každou buňku se počítají různé údaje; typu teplota, tlak, vlhkost, vektory větru, oblačnost, sníh/led - buňky samosebou nejsou nezávislé tzn., že se vzájemně ovlivňují. Model se od nastavení počátečních podmínek a parametrů vyvíjí a počítají se hodnoty za každých 30 minut (tzv. timestep). To máme 48 kroků za klimaticky den na 131,328 buněk, *365 za rok, *3*15 tj. 45 let simulace. Celkem přes 100 miliard buněk různě složitých výpočtů pro jeden parametr (teplota, tlak…)!!!. Z toho také vyplývá větší náročnost oproti ostatním, vcelku jednoduchým BOINC projektům.

Klimatický model je rozdělen do několika fází. V základní verzi má tři fáze, každá fáze modeluje 15 let.

• První fáze -  Jde o to ověřit, že se atmosféra s oceánem vyrovná a tyto hodnoty (tepelné proudy atp.) se použijí jako vstupní hodnoty do dalších fází modelu.
• Druhá fáze -  je nastavena tak, že hodnoty skleníkových plynů v atmosféře jsou nastaveny na před-industriální hodnoty.
• Třetí fáze - má hodnoty CO2 na dvojnásobku před-industriálních. Jde o to zjistit, zda pří této koncentraci CO2 se modelované klima po nějaké době ustálí na nějaké hodnotě nebo jestli bude nestabilní (jinak řečeno jestli se na vašem počítači nezačnou vařit oceány či zeměkoule nezmrzne). Je to tedy jen zjednodušená simulace co by se mohlo stát a není třeba se obávat dat, která vám zobrazí konkrétní simulace.

Grafický výstup projektu. Jsou zde uvedeny základní informace o tom jaká probíhá fáze (Phase) a o časovém průběhu (timestep)

Tip: Víte, že grafický výstup obsahuje mnohem více informací? Návod na ovládání je tady.

Součástí byl ještě jeden pod-experiment. Klasický klient verze 3.0.1 měl ještě 4. fázi, která simulovala 50% zpomalení oceánské proudu (a-lá The Day After Tomorrow, kde byl však tento proud zcela zastaven). Šlo mimo jiné o ověřování tezí jednoho doktoranda na Oxfordské univerzitě ? tedy spojilo se příjemné s užitečným.Experiment 1 používá jako klasického CPDN klienta ve verzi 2.2.29, tak CPDN pod BOINC (v současnosti verze 4.04).

Experiment 2 aneb zpětné předpovídání (hindcast)

V rámci tohoto experimentu se již plánuje použít plně spojený atmosféricko - oceánský model GCM, to znamená že oceány budou rozděleny také do několika vrstev a budou mít reálnější a dynamičtější odezvy. Použijí se parametry, respektive skupiny parametrů, které se budou zdát z výsledků Experimentu 1 jako smysluplné. Model bude postupně nakrmován skutečnými daty z pozorování let 1950-2000. Je to jako předpověď ? akorát znáte výsledek. Jde o tom model vyladit tak, aby to nejvíce odpovídal skutečnosti.

Experiment 3 aneb opravdová předpověď (forecast)

Je zřejmé, že jednotlivé experimenty na sebe vcelku přirozeně navazují. Vyberou se ty modely (rozuměj jejich parametr), které dosáhly vysokého skóre v experimentu 2, tj. ty, které se nejvíce podobaly skutečnosti. Předpověď bude časově zaměřena na první polovinu tohoto století do roku 2050. Je zřejmé, že zde je třeba teprve vybrat různé scénáře koncentrací CO2 a jiných, které záleží na způsobu získávání energie (fosilní paliva, jádro, obnovitelné), energetické náročnosti lidstva (Číňané a vůbec přes 1/3 Asie nám ještě ukážou) atp.

V současné době se připravuje zakomponování oběhu síry v atmosféře (opět pro teze lidí z CPDN týmu) a zmíněný spojený atmosféricko ? oceánský model. Brzy by mělo začít betatestování (podle mne po té, až dokončíme beta-testování IDL visualizačního balíku pod BOINC). Mluvilo se i o možnosti podrobnějšího modelu, kde by bylo vidět i lokání fenomény jako hurikány atp.

Výhody a nevýhody projektu, odkazy

- náročnost na místo na disku, jedna jednotka potřebuje zhruba 1GB
- jednotky se počítají stovky hodin
- po skončení zůstane na disku cca 330MB dat, automaticky se nesmažou
- hardwarové nároky, min. 256MB paměti (lépe 512MB a více) a 1.8GHz procesor
- je potřeba mít stabilní počítač, jede-li vám na něm bez problémů SETI, nemusí jet CPDN

+ možnost analýzy modelu na počítači, který není připojen k internetu
+ kredit se přiděluje průběžně během výpočtu a ne na základě přepočtu jako u jiných projektů
+ absolutně nejnižší náročnost na přenos dat ze všech projektů
+ reálné výsledky projektu
+ možnost archivovat a prohlížet si spočítaná data a to např. pomocí programů CPView a IDL visualisation
+ u procesorů Intel využijete HyperThreading (dvě jednotky najednou)
+ stáhnete si data a měsíc máte pokoj :-)
+ nehrozí nedostatek jednotek
+ žádné výpadky serverů
+ projekt je již v ostré verzi

CPDN FAQ, nejčastěji kladené dotazy - doporučuji přečíst !
Diskusní fórum o projektu
Domovská stránka programu CPView
Domovská stránka programu IDL visualisation
Domovská stránka projektu
Připojte se k našemu týmu v CPDN

Tak a je tu závěr povídání o projektu Climateprediction.net. Poděkování zasluhuje Honza za poskytnutí a sepsání informací bez niž by tento článek nikdy nevzniknul. Pokud máte další otázky či problémy tak je prosím směřujte výhradně do diskusního fóra, viz. odkaz výše.

Svůj komentář na tento článek, co by mělo být opraveno, či doplněno můžete napsat do této sekce na našem týmovém fóru. Téma s komentářem k tomu konkrétnímu článku, by mělo nést stejný název, jako článek na webu.