Siêu máy tính 'khủng' thế nào, vì sao dự báo bão ngày càng chính xác

Mỗi bản nâng cấp siêu máy tính của Cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ có kích thước bằng 10 chiếc tủ lạnh, sức mạnh 12,1 petaflop chỉ để nâng cao khả năng dự báo các cơn bão.

Khi cơn bão Michael đổ bộ vào bờ vịnh Mexico vào tháng 10/2018, nó đạt đến cấp 5 với sức gió tối đa 250 km/h và là một trong những cơn bão mạnh nhất từng đổ bộ vào Mỹ. Dự báo ban đầu của Trung tâm Bão Quốc gia (NHC) hoàn toàn sai khi cho rằng bão Michael chỉ đạt một nửa cường độ như vậy.

Thông thường, một cơn bão mất từ vài ngày đến một tuần để chuyển từ bão nhiệt đới thành siêu bão. Tuy nhiên, nếu hội tụ đủ điều kiện, thời gian để nó lớn mạnh thành siêu bão cấp 3/5 có thể chỉ được tính bằng giờ.

Bão Michael nhanh chóng mạnh lên ngay trước khi đổ bộ đất liền. Quá trình này được gọi là gia tăng cường độ nhanh (rapid intensification). NHC định nghĩa gia tăng cường độ nhanh là hiện tượng xảy ra khi bão có sức gió tăng thêm ít nhất 55 km/h trong vòng 24 giờ.

Quá trình gia tăng cường độ nhanh (rapid intensification) biến bão nhiệt đới thành siêu bão. Ảnh: GOES-16 Experimental.

Cho đến tận khi đổ bộ vào Florida, các chuyên gia đã không hề hay biết bão Michael chịu tác động của gia tăng cường độ nhanh. Đây cũng là nguyên nhân chính khiến cơn bão trở nên mạnh bất ngờ so với dự đoán ban đầu.

Dự đoán chính xác mức độ hỗn loạn trong tâm bão, hay nói cách khác là cách mà cơn bão mạnh lên, vẫn là một thách thức khó đối với các chuyên gia dự báo.

Sức mạnh của siêu máy tính khi dự đoán thời tiết

Tuy nhiên, khi được trang bị các mô hình giả lập tốt và có nhiều kinh nghiệm hơn, NHC đã dự đoán chính xác cơn bão Ida, đổ bộ vào New Orleans vào tháng 9/2021, sẽ nhanh chóng mạnh lên, mặc dù cơn bão sau đó còn mạnh hơn các dự đoán.

Siêu máy tính chính là một phần quan trọng của những cải tiến này trong việc dự đoán vị trí, thời gian và cách các cơn bão có thể ập đến. Đến cuối năm 2021, Cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ (NWS) tiếp tục nâng cấp thêm hai siêu máy tính hoàn toàn mới.

NWS hy vọng những nâng cấp đáng giá sẽ giúp cải thiện độ ổn định, hướng tới việc dự báo chính xác hơn. Điều này càng trở nên cần thiết hơn trong bối cảnh các chuyên gia cho rằng biến đổi khí hậu với sự ấm lên của Trái Đất chính là nguyên nhân khiến các cơn bão ngày càng nguy hiểm.

Dogwood, một trong 2 siêu máy tính mới nhất để dự báo thời tiết của NOAA. Ảnh: General Dynamics Information Technology.

NWS sẽ ứng dụng triệt để khả năng tính toán siêu việt của siêu máy tính trong hoạt động dự báo thời tiết, tương tự hệ thống trên các bản tin hàng đêm. Siêu máy tính mới sẽ giúp các nhà khí tượng học dự đoán tốt hơn mọi thứ, từ xác suất mưa ở Denver đến khả năng một cơn bão sẽ đổ bộ vào Miami.

Mỗi siêu máy tính (một ở Virginia và một ở Arizona) có kích thước bằng 10 chiếc tủ lạnh và có sức mạnh xử lý 12,1 petaflop (12,1 triệu tỷ phép tính mỗi giây). FLOPS là tên viết tắt của phép tính dấu phẩy di động mỗi giây, được sử dụng để so sánh sức mạnh bộ vi xử lý trên các vi kiến trúc khác nhau.

Theo MIT Technology Review, mỗi bản nâng cấp lớn của siêu máy tính sẽ tăng gần gấp ba lần kích thước của hệ thống cũ và tiêu tốn khoảng 300-500 triệu USD trong thập kỷ tới.

Sức mạnh xử lý của siêu máy tính tại Cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ (NWS) theo từng năm. Ảnh: NWS.

TheoMIT Technology Review, mỗi bản nâng cấp lớn của siêu máy tính sẽ tăng gần gấp ba lần kích thước của hệ thống cũ và tiêu tốn khoảng 300-500 triệu USDtrong thập kỷ tới.

Michael Brennan, người đứng đầu Đơn vị Chuyên gia về Bão tại NHC, cho biết nâng cấp siêu máy tính là một phần quan trọng trong những cải tiến gần đây trong dự báo về đường đi và cường độ của các siêu bão.

Thực tế đã chứng minh điều đó khi các dự báo về đường đi của bão ngày càng chính xác hơn trong 30 năm qua, bởi các mô hình thời tiết quy mô lớn được xử lý trên các siêu máy tính đã được cải thiện. Sai số trung bình trong dự đoán đường đi của bão giảm từ khoảng 161 km vào năm 2005 xuống chỉ còn khoảng 105 km vào năm 2020.

Sự khác biệt có vẻ nhỏ, tuy nhiên khi một cơn bão mất bất ngờ chuyển thành siêu bão và cần dự báo chính xác tác động có thể, Brennan cho rằng "mọi lắc lư dù là nhỏ nhất cũng rất quan trọng".

Việc hiểu và dự đoán cường độ của các cơn bão khó khăn hơn dự đoán đường đi của chúng, bởi sức mạnh của một cơn bão có thể được thúc đẩy bởi các yếu tố môi trường thuận lợi như tốc độ gió và nhiệt độ tại tâm bão.

Siêu bão Maria khi đạt cấp mạnh nhất. Ảnh: NOAA.

Mặc dù vậy, với tính toán từ các siêu máy tính, dự đoán về cường độ cũng bắt đầu được cải thiện trong thập kỷ qua. Thống kê cho thấy sai số trong dự báo cường độ trong vòng 48 giờ đã giảm 20-30% trong giai đoạn 2005-2020.

"Khi xây dựng các mô hình để dự đoán một điều gì đó phức tạp như thời tiết, mọi chuyện sẽ dễ dàng hơn nếu tích hợp thêm các tài nguyên bổ sung từ máy tính”, Brian Gross, giám đốc trung tâm mô hình của NWS cho biết.

Độ chính xác ngày càng cao

Các mô hình dự đoán có thể được hưởng lợi từ sức mạnh tính toán theo nhiều cách, vì nó nhanh chóng tiêu thụ một lượng lớn dung lượng. Một mô hình có thể trở nên phức tạp hơn bằng cách sử dụng nhiều thông tin hơn như chi tiết về các dòng chảy đại dương khi xem xét tần suất của các cơn bão.

Nâng cấp phần cứng tính toán cho phép một mô hình dự báo thời tiết chính xác hơn về mặt địa lý. Các mô hình thời tiết hoạt động bằng cách chia nhỏ địa cầu thành nhiều mảnh và cố gắng tính toán điều gì sẽ xảy ra trong mỗi mảnh đó. Nếu một mô hình có độ phân giải cao, nó sẽ chia nhỏ địa cầu thành các mảnh nhỏ hơn, đồng nghĩa có nhiều phần trong số chúng được xem xét và dự đoán trong các kịch bản.

Sau cùng, các nhà nghiên cứu sẽ sàng lọc tất cả thành một mô hình tập hợp và sẽ chạy thử nhiều nhất là 20 hoặc 30 lần. Mỗi lần chạy sẽ được thực hiện trong các điều kiện thời tiết khác nhau, từ đó cho ra các dự đoán khác nhau như thế nào. Các kết quả sau đó sẽ được thống kê và xem xét kỹ lưỡng nhằm tìm ra kế hoạch sơ tán, đối phó cần thiết.

Bão Ida gây thiệt hại lớn ở quận Lafourche, bang Louisiana. Ảnh: New York Times.

Mô hình tập hợp trong dự đoán bão sẽ hoạt động như sau: Khi một cơn bão bắt đầu ở Đại Tây Dương, nếu một dự báo tổng hợp chứa nhiều kết quả khác nhau, với một số cơn bão hướng đến Texas và đi qua Bờ Đông ở một số vùng khác sẽ có nhiều giả thuyết về đường đi.

Tuy nhiên nếu các thành viên trong nhóm đều nhận định cơn bão đang tiến vào Florida, các chuyên gia dự báo có thể chắc chắn hơn về nơi đổ bộ tiềm năng.

Các nâng cấp siêu máy tính trước đây đã dẫn đến những cải tiến trong nhiều lĩnh vực cho một số mô hình, như mô hình dự báo thời tiết toàn cầu toàn cầu đa năng GEFS. Năm 2018 trong lần cuối cùng hệ thống được nâng cấp, NWS đã tăng độ phân giải từ 34 km lên 25 km, với số lượng mô hình tập hợp tối đa từ 21 tăng lên 31.

Mô hình tập hợp các kịch bản dự đoán thời tiết. Ảnh: NOAA.

Những thay đổi và kết quả dự báo chính xác đã giúp các chuyên gia như Jim Stefkovich, nhà khí tượng học của Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Alabama hỗ trợ chính quyền các bang chuẩn bị tốt hơn cho rủi ro thời tiết.

“Những ngày đầu trong sự nghiệp của tôi, rất nhiều lần mọi thứ xảy ra mà không có cảnh báo trước bởi vì công nghệ không đủ tốt và các cảnh báo không phải lúc nào cũng chính xác như vậy. Tuy nhiên, bạn sẽ không còn thấy điều đó nhiều nữa với sự nâng cấp công nghệ như hiện nay”, Stefkovich nói.

Biến đổi khí hậu trên toàn cầu đang khiến các cơn bão nhiệt đới sẽ có thể trở nên tồi tệ hơn. Các chuyên gia hy vọng với những dự báo được hỗ trợ bằng công nghệ được truyền đạt đúng cách, mọi người có thể đưa ra quyết định tốt hơn khi bão đến.