Mūsų klimato ateities skaičiavimas | MIT naujienos


Pirmadienį MIT paskelbė penki daugiamečiai pavyzdiniai projektai pirmą kartą organizuojamuose „Climate Grand Challenges“ – naujoje iniciatyvoje, skirtoje sudėtingoms klimato problemoms spręsti ir kuo greičiau pasauliui pateikti proveržio sprendimus. Šis straipsnis yra pirmasis iš penkių dalių serijos, kurioje pabrėžiamos perspektyviausios konkurso koncepcijos ir tarpdisciplininės tyrimų grupės.

Tobulindami kompiuterių apdorojimo galią ir geriau suprasdami fizines lygtis, reguliuojančias Žemės klimatą, mokslininkai nuolat tobulina klimato modelius ir pagerina jų nuspėjamąją galią. Tačiau įrankiai, kuriuos jie tobulina, iš pradžių buvo sukurti prieš dešimtmečius, turint omenyje tik mokslininkus. Kalbant apie apčiuopiamų klimato veiksmų planų kūrimą, šie modeliai lieka nepastebimi politikos formuotojams, visuomenės saugumo pareigūnams, statybos inžinieriams ir bendruomenės organizatoriams, kuriems labiausiai reikia nuspėjamosios įžvalgos.

„Galų gale atsiranda atotrūkis tarp to, kas paprastai naudojama praktikoje, ir tikro pažangiausio mokslo“, – sako Noelle Selin, Duomenų, sistemų ir visuomenės instituto bei Žemės, atmosferos ir planetų mokslų katedros profesorė. (EAPS) ir kartu su profesoriumi Raffaele Ferrari vadovauja MIT Climate Grand Challenges pavyzdiniam projektui.Skaičiavimo pritaikymas klimato iššūkiams. „Kaip galime panaudoti naujus skaičiavimo metodus, naujus supratimus, naujus mąstymo apie modeliavimą būdus, kad iš tikrųjų panaikintume tą atotrūkį tarp naujausių mokslo pasiekimų ir modeliavimo bei žmonių, kuriems iš tikrųjų reikia naudoti šiuos modelius?

Naudodama tai kaip pagrindinį klausimą, komanda ne tik bandys tobulinti dabartinius klimato modelius, bet ir kuria naują nuo pat pradžių.

Tokios pažangos, keičiančios žaidimą, yra būtent tai, ko siekia MIT Climate Grand Challenges, todėl pasiūlymas buvo pavadintas vienu iš penkių pavyzdinių projektų ambicingoje viso instituto programoje, skirtoje kovoti su klimato krize. Pasiūlymas, kuris buvo atrinktas iš 100 pasiūlymų ir pateko tarp 27 finalininkų, gaus papildomo finansavimo ir paramos, kad būtų galima toliau įgyvendinti tikslą iš naujo sukurti klimato modeliavimo sistemą. Ji taip pat suburia bendradarbius iš viso instituto, įskaitant MIT Schwarzman College of Computing, Inžinerijos mokyklą ir Sloan vadybos mokyklą.

Kalbant apie didelio poveikio klimato sprendimus, kuriuos galėtų naudoti bendruomenės visame pasaulyje, „puiku tai daryti MIT“, – sako Ferrari, EAPS Cecil ir Ida Green okeanografijos profesorius. „Nerasite daug vietų pasaulyje, kur turite pažangiausius klimato mokslus, pažangiausius kompiuterių mokslus ir pažangiausius politikos mokslo ekspertus, kurių mums reikia kartu.

Ateities klimato modelis

Pasiūlymas grindžiamas darbu, kurį „Ferrari“ pradėjo prieš trejus metus vykdydama bendrą projektą su „Caltech“, karinio jūrų laivyno magistrantūros mokykla ir NASA „Jet Propulsion Lab“. Mokslininkų, inžinierių ir taikomųjų matematikų konsorciumas, vadinamas Climate Modeling Alliance (CliMA), kuria klimato modelį, galintį tiksliau prognozuoti būsimus kritinių kintamųjų, tokių kaip debesys atmosferoje ir turbulencija vandenyne, pokyčius, o neaiškumų bent perpus mažesnis nei esamuose modeliuose.

Tačiau norint tai padaryti, reikia naujo požiūrio. Viena vertus, dabartiniai modeliai yra per didelės skiriamosios gebos (100–200 kilometrų skalėje), kad būtų galima išspręsti nedidelius procesus, tokius kaip debesų danga, krituliai ir jūros ledo apimtis. Tačiau taip pat, aiškina Ferrari, dalis šio skiriamosios gebos apribojimo yra dėl pagrindinės pačių modelių architektūros. Kalbos, kuriomis užkoduoti dauguma pasaulinių klimato modelių, pirmą kartą buvo sukurtos septintajame ir aštuntajame dešimtmečiuose, daugiausia mokslininkų mokslininkams. Nuo tada dėl verslo pasaulio ir kompiuterinių žaidimų pažangos kompiuterijos srityje atsirado dinamiškos naujos kompiuterių kalbos, galingi grafikos apdorojimo įrenginiai ir mašininis mokymasis.

Kad klimato modeliai išnaudotų visas šios pažangos teikiamas galimybes, yra tik viena galimybė: pradėti iš naujo su šiuolaikiška, lankstesnė kalba. Parašyta Julia, Julialab mokslinio mašininio mokymosi technologijos dalis, ir vadovaujama Alanas EdelmanasMIT Matematikos katedros taikomosios matematikos profesorius CliMA galės panaudoti daug daugiau duomenų, nei gali apdoroti dabartiniai modeliai.

„Buvo labai smagu pagaliau dirbti su kompiuterių mokslo žmonėmis čia, MIT“, – sako Ferrari. „Anksčiau tai buvo neįmanoma, nes tradiciniai klimato modeliai yra kalba, kurios jų mokiniai net nemoka skaityti.

Rezultatas yra tai, kas vadinama „Žemės skaitmeniniu dvyniu“, klimato modeliu, galinčiu modeliuoti pasaulines sąlygas dideliu mastu. Tai savaime yra įspūdingas žygdarbis, tačiau komanda nori žengti žingsnį toliau savo pasiūlymu.

„Mes norime paimti šį didelio masto modelį ir sukurti tai, ką vadiname „emuliatoriumi“, kuris tik numato dominančių kintamųjų rinkinį, tačiau buvo išmokytas naudoti didelio masto modelį“, – aiškina Ferrari. Emuliatoriai nėra nauja technologija, bet nauja yra tai, kad šie emuliatoriai, vadinami „Žemės skaitmeniniais pusbroliais“, pasinaudos mašininio mokymosi pranašumais.

„Dabar mes žinome, kaip parengti modelį, jei turime pakankamai duomenų, kad galėtume juos išmokyti“, – sako Ferrari. Mašininis mokymasis tokių projektų atveju tapo įmanomas tik pastaraisiais metais, nes atsiranda daugiau stebėjimo duomenų ir pagerėjo kompiuterio apdorojimo galia. Tikslas yra sukurti mažesnius, labiau lokalizuotus modelius mokant juos naudojant Žemės skaitmeninį dvynį. Taip sutaupysite laiko ir pinigų, o tai labai svarbu, jei skaitmeninius pusbrolius galės naudoti suinteresuotosios šalys, pvz., vietos valdžios institucijos ir privataus sektoriaus kūrėjai.

Pritaikomos prognozės vidutinėms suinteresuotosioms šalims

Kalbant apie klimato kaitos politikos nustatymą, suinteresuotosios šalys turi suprasti rezultato tikimybę savo regionuose – lygiai taip pat, kad žygiui ruoštumėtės kitaip, jei lietaus tikimybė yra 10 procentų, palyginti su 90 procentų. Mažesni Žemės skaitmeniniai pusbrolio modeliai galės daryti tai, ko negali padaryti didesnis modelis, pvz., imituoti vietinius regionus realiuoju laiku ir pateikti platesnį tikimybių scenarijų spektrą.

„Šiuo metu, jei norite naudoti pasaulinio klimato modelio išvestį, paprastai turėtumėte naudoti išvestį, skirtą bendram naudojimui“, – sako Selinas, kuris taip pat yra MIT technologijų ir politikos programos direktorius. Vykdydama projektą, komanda nuo pat pradžių gali atsižvelgti į galutinių vartotojų poreikius, taip pat įtraukdama jų atsiliepimus ir pasiūlymus į modelius, taip padėdami „demokratizuoti idėją naudoti šiuos klimato modelius“, kaip sako ji. Tai reiškia sukurti interaktyvią sąsają, kuri galiausiai suteiks vartotojams galimybę keisti įvesties reikšmes ir vykdyti naujus modeliavimus realiuoju laiku. Komanda tikisi, kad ilgainiui Žemės skaitmeniniai pusbroliai galėtų veikti su tokiu visur esančiu dalyku kaip išmanusis telefonas, nors tokie pokyčiai šiuo metu nepatenka į projekto taikymo sritį.

Kitas dalykas, kurį komanda dirbs, yra ryšių su suinteresuotosiomis šalimis kūrimas. Dalyvaujant kitoms MIT grupėms, tokioms kaip Bendra pasaulinių pokyčių mokslo ir politikos programa ir Klimato ir tvarumo konsorciumas, jie tikisi glaudžiai bendradarbiauti su politikos formuotojais, visuomenės saugumo pareigūnais ir miestų planuotojais, kad suteiktų jiems pagal jų poreikius pritaikytus nuspėjimo įrankius, kurie galėtų duoti veiksmingų planavimui svarbių rezultatų. Pavyzdžiui, kylant jūros lygiui pakrančių miestai galėtų geriau įsivaizduoti grėsmę ir priimti pagrįstus sprendimus dėl infrastruktūros plėtros ir pasirengimo nelaimėms; sausrai jautrių regionų bendruomenės galėtų sukurti ilgalaikį civilinį planavimą, pabrėždamos vandens išsaugojimą ir atsparumą laukiniams gaisrams.

„Norime, kad modeliavimo ir analizės procesas būtų greitesnis, kad žmonės galėtų gauti daugiau tiesioginių ir naudingų atsiliepimų priimant artimiausius sprendimus“, – sako ji.

Paskutinis iššūkis yra paskatinti studentus dabar, kad jie galėtų prisijungti prie projekto ir ką nors pakeisti. „Ferrari“ jau pasisekė sulaukti studentų susidomėjimo, kai kartu su Edelmanu vedė pamoką ir pamatė studentų entuziazmą informatikos ir klimato sprendimų srityje.

„Šiame projekte ketiname sukurti ateities klimato modelį“, – sako Selinas. „Taigi, atrodo, tikrai tikslinga mokyti ir to klimato modelio kūrėjus.