บทบาทของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในการสร้างแบบจำลองภูมิอากาศ

เมื่อพูดถึงซูเปอร์คอมพิวเตอร์ หลายคนอาจนึกถึงเครื่องจักรขนาดใหญ่สุดล้ำที่แก้โจทย์คณิตศาสตร์ที่ดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ หรือใช้รันปัญญาประดิษฐ์ล้ำสมัย แต่สำหรับคนรักอากาศอย่างเรา? ซูเปอร์คอมพิวเตอร์คือฮีโร่ที่ไม่ค่อยมีใครพูดถึงในโลกของภูมิอากาศ พวกมันคือสมองเบื้องหลังการพยากรณ์ระยะยาวทุกครั้ง เส้นทางพายุเฮอริเคนทุกลูก และการคาดการณ์อนาคตของภูมิอากาศโลก

ในบทความเจาะลึกนี้ เราจะสำรวจว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขับเคลื่อนการสร้างแบบจำลองภูมิอากาศได้อย่างไร ทำไมจึงสำคัญ และมีความหมายอย่างไรสำหรับคนรักสภาพอากาศ

แบบจำลองภูมิอากาศคืออะไร?

แบบจำลองภูมิอากาศคือการแทนค่าทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนของชั้นบรรยากาศ มหาสมุทร พื้นดิน และระบบน้ำแข็งของโลก แตกต่างจากการพยากรณ์อากาศที่ทำนายสภาพในอีกไม่กี่วันข้างหน้า แบบจำลองภูมิอากาศจะจำลองพฤติกรรมของภูมิอากาศโลกในช่วงเวลาหลายสิบปีหรือแม้แต่ศตวรรษ

แบบจำลองเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถ:

• ทำนายการเปลี่ยนแปลงระยะยาวของอุณหภูมิและปริมาณน้ำฝน
• ประเมินว่าปรากฏการณ์อากาศสุดขั้วอาจเปลี่ยนแปลงอย่างไร
• เข้าใจผลกระทบของการปล่อยก๊าซเรือนกระจก
  ชี้นำการกำหนดนโยบายระดับโลกด้วยข้อมูลที่มีหลักฐานรองรับ

และทั้งหมดนี้จะเป็นไปไม่ได้เลยหากขาดพลังประมวลผลอันมหาศาลของซูเปอร์คอมพิวเตอร์

ทำไมต้องใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์? แล็ปท็อปของฉันทำไม่ได้เหรอ?

คำตอบสั้น ๆ คือ… ยังห่างไกลมาก

ลองแยกย่อยดู:

• แบบจำลองภูมิอากาศทั่วไปจะแบ่งโลกออกเป็นกริด 3 มิติที่ครอบคลุมพื้นผิวโลก บรรยากาศ และมหาสมุทร
• แต่ละเซลล์ในกริด (มักกว้าง 10-100 กม.) จะมีสมการสำหรับพลังงาน ความชื้น ลม รังสี การก่อตัวของเมฆ ฯลฯ
• สมการเหล่านี้จะถูกแก้ซ้ำ ๆ ทุก ๆ ไม่กี่นาทีของเวลาจำลอง ในแต่ละเซลล์นับล้าน ๆ เซลล์ ตลอดข้อมูลภูมิอากาศหลายสิบปี

ที่มา: Climate.gov

เรากำลังพูดถึงการคำนวณระดับล้านล้านครั้งต่อวินาที

เพื่อให้ทำได้ นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศต้องใช้ระบบประมวลผลสมรรถนะสูง (HPC) ซึ่งก็คือเครื่องที่มีโปรเซสเซอร์นับพันทำงานพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น:

• ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ใหม่ของ ECMWF ที่โบโลญญาสามารถรันการพยากรณ์ที่ความละเอียด 1 กม. - ละเอียดพอจะจำลองพายุฝนฟ้าคะนองแต่ละลูกได้
• ระบบ NOAA Gaea ประมวลผลได้ 10 เพตาฟลอปส์ (10 ล้านล้านล้านปฏิบัติการต่อวินาที)
• Fugaku ของญี่ปุ่น หนึ่งในเครื่องที่เร็วที่สุดในโลก ถูกใช้จำลองไต้ฝุ่น วัฏจักรคาร์บอน และวงจรป้อนกลับของภาวะโลกร้อน

ที่มา: https://www.mext.go.jp

การรันแบบจำลองภูมิอากาศยาวหนึ่งศตวรรษเพียงครั้งเดียวอาจใช้เวลาหลายสัปดาห์ แม้จะใช้เครื่องยักษ์เหล่านี้ แต่ผลลัพธ์ที่ได้คือข้อมูลเชิงลึกที่ละเอียดมาก อัดแน่นด้วยข้อมูล และสำคัญต่อความเข้าใจโลกของเรา

ภายในสมองของซูเปอร์คอมพิวเตอร์: มันจำลองภูมิอากาศอย่างไร

แล้วเครื่องจักรเหล่านี้จำลองสิ่งที่วุ่นวายและมหึมาอย่างภูมิอากาศโลกได้อย่างไร?

1. การจำลองแบบกริด

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์จะแบ่งโลกออกเป็นเซลล์กริด แต่ละเซลล์จะติดตาม:

• อุณหภูมิ
• ความเร็วและทิศทางลม
• ความชื้น
• ความกดอากาศ
• รังสีแสงอาทิตย์
• กระแสน้ำในมหาสมุทร
• ความหนาของน้ำแข็ง

ยิ่งกริดละเอียด (เช่น 1 กม. แทน 100 กม.) รายละเอียดก็ยิ่งดีขึ้น แต่ก็ต้องใช้พลังประมวลผลมากขึ้นด้วย

2. การก้าวเวลาจำลอง (Time Stepping)

ทุก ๆ ไม่กี่นาทีของ “เวลา” ในแบบจำลอง ระบบจะคำนวณสภาพในแต่ละเซลล์ใหม่ นี่คือจุดที่การประมวลผลขนานเปล่งประกาย โปรเซสเซอร์นับพันจะจัดการพื้นที่ต่าง ๆ พร้อมกัน เหมือนรังผึ้งที่ช่วยกันแก้ปริศนาแบบเรียลไทม์

3. การประมาณค่าด้วยพารามิเตอร์ (Parameterizations)

บางกระบวนการ เช่น การก่อตัวของเมฆหรือความปั่นป่วน มีขนาดเล็กเกินกว่าจะจำลองโดยตรงได้ แม้จะใช้กริดละเอียด นักวิทยาศาสตร์จึงใช้การประมาณค่าด้วยพารามิเตอร์: การประมาณอัจฉริยะที่อิงจากการสังเกตและกฎฟิสิกส์

ที่มา: Nature.com

แบบจำลองภูมิอากาศ vs. แบบจำลองอากาศ: เครื่องมือคล้ายกัน เป้าหมายต่างกัน

แบบจำลองอากาศแตกต่างจากแบบจำลองภูมิอากาศอย่างไร?

แต่ทั้งสองแบบใช้หลักฟิสิกส์เดียวกัน ซูเปอร์คอมพิวเตอร์รันทั้งสองระบบ เพียงแต่เป้าหมาย ขนาด และช่วงเวลาต่างกัน

ผลกระทบในโลกจริง: ซูเปอร์คอมพิวเตอร์กำหนดอนาคตการพยากรณ์ของเราอย่างไร

นี่คือจุดที่น่าตื่นเต้น แบบจำลองภูมิอากาศเหล่านี้ไม่ได้มีไว้เพื่อวิชาการเท่านั้น แต่มีผลกระทบต่อชีวิตประจำวันจริง ๆ

การวางแผนความเสี่ยงน้ำท่วม

การจำลองความละเอียดสูงช่วยให้ผู้วางแผนเมืองเตรียมรับมือฝนตกหนัก แม่น้ำล้นตลิ่ง และสถานการณ์น้ำท่วมฉับพลัน โดยเฉพาะในพื้นที่เสี่ยงพายุ

ที่มา: การเปิดเผยต่อความเสี่ยงน้ำท่วมทั่วโลกจากแบบจำลองภูมิอากาศ CMIP6 ใหม่

การพยากรณ์การเกษตร

เกษตรกรใช้การคาดการณ์ภูมิอากาศตามฤดูกาลในการตัดสินใจปลูก รดน้ำ และเก็บเกี่ยว เสี่ยงภัยแล้ง? เขตเพาะปลูกเปลี่ยน? ทั้งหมดนี้ถูกจำลองในระบบ HPC

ความยืดหยุ่นของชายฝั่ง

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์จำลองระดับน้ำทะเลสูงขึ้น คลื่นพายุ และรูปแบบการกัดเซาะ ช่วยให้พื้นที่เสี่ยงสร้างแนวป้องกันที่ดีขึ้น

พลังงาน & โครงสร้างพื้นฐาน

ตั้งแต่การเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานลมไปจนถึงความเครียดจากความร้อนต่อโครงข่ายไฟฟ้า อุตสาหกรรมต่าง ๆ พึ่งพาการคาดการณ์ภูมิอากาศเพื่อวางแผนล่วงหน้าหลายสิบปี

และที่สำคัญคือ เมื่อพลังคอมพิวเตอร์เพิ่มขึ้น ความแม่นยำก็เพิ่มขึ้นด้วย ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วขึ้นหมายถึงความละเอียดสูงขึ้น ตัวแปรมากขึ้น และข้อมูลเชิงลึกระยะยาวที่ดีขึ้น

สิ่งนี้มีความหมายอย่างไรสำหรับคนรักอากาศ

คุณอาจไม่ได้รันแบบจำลองภูมิอากาศที่บ้าน แต่คุณก็เป็นส่วนหนึ่งของระบบนิเวศนี้

ทุกครั้งที่คุณเปรียบเทียบภาพเรดาร์และพยายามเดาทิศทางพายุ หรือดูแนวโน้มอุณหภูมิ คุณกำลังมีส่วนร่วมกับข้อมูลที่เกิดจากซูเปอร์คอมพิวเตอร์

แอปอย่าง Rain Viewer ดึงข้อมูลอากาศระยะสั้นมาให้คุณ แต่ระบบเหล่านี้ก็ได้รับข้อมูลจากแบบจำลองที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สร้างขึ้น ดังนั้นไม่ว่าคุณจะติดตามแนวปะทะอากาศเย็น หรือวิเคราะห์รูปแบบภูมิอากาศ คุณก็เป็นส่วนหนึ่งของเกมการพยากรณ์

อยากก้าวไปอีกขั้นไหม?

• ติดตามผลลัพธ์แบบจำลองภูมิอากาศอย่าง CMIP6 (ที่ใช้โดย IPCC)
• สำรวจภาพข้อมูลจาก NASA Earth Observatory หรือ Copernicus
• เรียนรู้ว่าแต่ละแบบจำลองต่างกันอย่างไร และแต่ละแบบทำอะไรได้หรือไม่ได้บ้าง

เพราะการพยากรณ์ไม่ได้มีแค่การดูอากาศ แต่คือการเข้าใจพลังที่กำหนดอนาคตของเรา

สรุป: ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ภูมิอากาศ และปริศนาการพยากรณ์

แก่นแท้ของการสร้างแบบจำลองภูมิอากาศคือปริศนาที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล และซูเปอร์คอมพิวเตอร์คือผู้แก้ปริศนาขั้นสุดยอด

สำหรับชุมชน Rain Viewer อย่างเรา นั่นหมายถึงการพยากรณ์ฤดูกาลที่แม่นยำขึ้น การติดตามพายุที่เฉียบคมขึ้น และความเข้าใจลึกซึ้งขึ้นว่าสภาพอากาศวันนี้เชื่อมโยงกับภูมิอากาศวันพรุ่งนี้อย่างไร ดังนั้นครั้งหน้าที่คุณดู แอนิเมชันเรดาร์อากาศ อย่าลืมว่า: ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ก็กำลังดูอยู่เช่นกัน แต่ด้วยความเร็วที่คุณจินตนาการไม่ออก