در مبارزه با بحران جهانی تغییرات اقلیمی، داده‌ها می‌توانند یکی از قدرتمندترین ابزارهای ما باشند. حجم عظیمی از داده‌ها برای پیش‌بینی دقیق تغییرات آب و هوایی مورد نیاز است که نیازمند ابررایانه‌هایی است که بتوانند کوادریلیون‌ها محاسبه در ثانیه انجام دهند.
(پ.ن: کوادریلیون یعنی هزار تریلیون.) دکتر ذوالفقار خالد، استاد دانشکده علوم و مهندسی در دانشگاه مدیریت و علوم لاهور (LUMS)، اولین پاکستانی است که موفق به کسب جایزه معتبر ACM Gordon Bell Prize برای مدل‌سازی آب و هوا شد. موفقیت دکتر خالد به همراه یک تیم بین‌المللی از محققان، به روش‌های هیجان‌انگیزی اشاره دارد که محاسبات پیشرفته و هوش مصنوعی می‌توانند به کل جهان هم چنین به جوامع آسیب‌پذیر در برابر پیامدهای ویرانگر تغییرات آب و هوایی در پاکستان کمک کنند.
جایزه گوردون بل که توسط انجمن ماشین‌های محاسباتی (ACM) اعطا می‌شود و گاهی “جایزه نوبل ابررایانه” نیزنامیده می‌شود، به دستاوردهای برجسته در زمینه محاسبات با کارایی بالا (HPC) که مرزهای توانایی‌های رایانه‌های مدرن را گسترش می‌دهند، اهدا می‌شود.
در نوامبر 2024، دکتر خالد و 11 همکار دیگر به دلیل کار خود با عنوان “افزایش خروجی‌های مدل سیستم زمین و صرفه‌جویی در پتابایت‌ها در ذخیره‌سازی آن‌ها با استفاده از شبیه‌سازهای آب و هوای اگزاسکیل” این جایزه را دریافت کردند.
(پ.ن: پتابایت: یک واحد اندازه‌گیری بسیار بزرگ برای حجم داده است. یک پتابایت برابر با یک میلیون گیگابایت است .
اگزاسکیل: به نسل جدیدی از ابررایانه‌ها گفته می‌شود که قادر به انجام بیش از یک میلیارد میلیارد محاسبه در ثانیه هستند. این ابررایانه‌ها آنقدر قدرتمند هستند که می‌توانند مدل‌های بسیار پیچیده آب و هوا را با سرعت و دقت بسیار بالا اجرا کنند.)
آقای دکتر میگوید:
در زمانی که افزایش دما، سیل‌های فاجعه‌بار و آلودگی هوا به امری عادی تبدیل شده‌اند، مدل‌های قوی آب و هوایی برای پیش‌بینی و کاهش اثرات محلی و جهانی تغییرات آب و هوایی ضروری هستند. “من حدود 10 تا 12 سال است که در زمینه تحلیل داده‌های مکانی فعالیت میکنم. این پروژه در سال 2022 زمانی آغاز شد که در تابستان از دانشگاه KAUST (دانشگاه علوم و فناوری ملک عبدالله در ثول عربستان سعودی) بازدید کردم. در آنجا در مورد افزایش تقاضا برای داده‌های اقلیمی بحث کردیم که معمولاً از اجرای معادلات دیفرانسیل جزئی مبتنی بر فیزیک بر روی ابررایانه‌ها برای دستیابی به خروجی‌های با وضوح بالا حاصل می‌شود. اگر فقط به داده‌های با وضوح پایین نیاز داشته باشیم، می‌توان از رایانه‌های رومیزی استفاده کرد، اما برای وضوح بالاتر در فضا و زمان،به منابع محاسباتی در مقیاس بزرگ نیاز داریم.
مدل‌های سنتی نیاز به منابع محاسباتی عظیم دارند و حجم بسیار زیادی از داده‌ها را تولید می‌کنند. در مقابل، شبیه‌ساز آب و هوای اگزاسکیل نوآورانه این تیم، نیازهای ذخیره‌سازی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد و در عین حال سطح جزئیات و دقت را در شبیه‌سازی‌های آب و هوایی افزایش می‌دهد. “به جای استفاده از یک الگوریتم موجود و صرفاً اجرای آن بر روی ابررایانه، ما یک علم زیربنایی با عنوان “نحوه تولید و ذخیره‌سازی کارآمد داده‌های اقلیمی با وضوح بالا ” را توسعه دادیم و سپس این رویکردها را مقیاس‌بندی کردیم.” آن‌ها پرسیدند: “چگونه می‌توانیم نیازهای عظیم محاسباتی و ذخیره‌سازی برای شبیه‌سازی‌های آب و هوا را برطرف کنیم؟” این منجر به استراتژی برای صرفه‌جویی در پتابایت‌های ذخیره‌سازی در عین حال تولید داده‌های اقلیمی دقیق با وضوح بالا شد.
داده‌های اقلیمی با وضوح بالا – درخواستی
دکتر خالد توضیح می‌دهد که شبیه‌ساز آن‌ها از هوش مصنوعی و محاسبات با کارایی بالا برای انجام این کار که هم نوآورانه است و هم ضروری، استفاده میکند:
تولید داده‌های اقلیمی با وضوح بالا به صورت درخواستی بدون نیاز به ذخیره‌سازی هرداده با استفاده از الگوریتم‌های پیچیده (از جمله تبدیل هارمونیک کروی و فاکتورسازی چولسکی)، گروه می‌تواند مقادیر عظیم داده‌های تولید شده توسط مدل‌های اقلیمی با وضوح بسیار بالا را شبیه‌سازی کند. این سیستم می‌تواند تغییرات آب و هوایی را در مقیاس‌های کوچک مانند تغییرات آلودگی هوا در یک منطقه خاص یا حرکت دقیق یک موج گرما را با دقت بسیار بالا نشان دهد و در عین حال به مقدار بسیار زیادی در فضای ذخیره‌سازی صرفه‌جویی کند.
“بسیاری از حوادث شدید مانند آلودگی هوا که برای هفته‌ها ادامه پیدا میکند یا موج‌های گرمای شدید، تحت تأثیر پدیده‌های جهانی مانند ال نینو قرار دارند. نکته مهم این است که همه چیز در کره زمین به هم مرتبط است. یعنی هر اتفاقی که در یک منطقه رخ می‌دهد، بر مناطق دیگر نیز تأثیر خواهد گذاشت.”
(پ.ن: ال نینو (El Niño) یک پدیده طبیعی است که در اقیانوس آرام رخ می‌دهد و بر آب و هوای سراسر جهان تأثیر می‌گذارد. این پدیده به زبان اسپانیایی به معنای “پسر کوچک” است و به دلیل همزمانی آن با جشن کریسمس در برخی مناطق، این نامگذاری صورت گرفته است.)
در کشوری مانند پاکستان که با سیل، خشکسالی و امواج گرمای شدید به طور مداوم مواجه است، داشتن مدل‌هایی که بتوانند تأثیرات تغییرات آب و هوایی را در سطح محلی به سرعت و با دقت پیش‌بینی کنند، بسیار مهم است. این مدل‌ها می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که به طور خاص برای شرایط آب و هوایی پاکستان مناسب باشند و پیش‌بینی‌های دقیق ساعتی را برای مناطق مختلف با جزئیات بسیار بالا (تا چند کیلومتر) ارائه دهند. این دقت بالا برای مسئولان دولتی، دولت‌های محلی و سازمان‌های مردم‌نهاد که تلاش می‌کنند از مردم آسیب‌پذیر در برابر بلایای طبیعی محافظت کنند، بسیار حیاتی است.
دکتر خالد میگوید: “پاکستان یکی از آسیب‌پذیرترین کشورهای تحت تأثیر تغییرات آب و هوایی است.” با وجود این فوریت، منابع محاسبات با کارایی بالا (HPC) عمدتاً در کشورهای ثروتمند متمرکز هستند. او معتقد است که سرمایه‌گذاری در آموزش علوم پایه و ظرفیت محلی HPC می‌تواند به پر کردن این شکاف کمک کند. “من دوباره بر اصول اولیه آموزش تاکید میکنم. در دانشگاه‌ها، در محیط‌های علمی حتی دبیرستان ، نیاز است که متوجه شویم که فرزندان و دانشجویان ما به دنبال دانش بنیادی و ساخت پایه‌ها هستند.
“اگر دانش‌آموزان در دوران تحصیل خود، در زمینه‌های اصلی و بنیادی علمی، دانش کافی کسب نکنند، این کمبود دانش همیشه با آن‌ها همراه خواهد بود و در آینده نیز با مشکل مواجه خواهند شد.”
دکتر خالد به همکاری‌های موفق با دولت پنجاب اشاره می‌کنند. در این همکاری‌ها، از داده‌های بسیار دقیق آب و هوایی برای شناسایی منابع آلودگی هوا و برنامه‌ریزی برای کاهش آن استفاده شده است. ایشان بر این باورند که موفقیت این پروژه نشان می‌دهد که وقتی دانشمندان علوم مختلف مانند اقلیم‌شناسی، آمار، هوش مصنوعی و محاسبات پیشرفته با هم همکاری کنند، می‌توانند دستاوردهای بسیار مهمی کسب کنند. ایشان معتقدند که داشتن دانش بنیادی قوی در تمام این زمینه‌ها، برای موفقیت این همکاری‌ها بسیار مهم است.
یک پیروزی تاریخی برای دانشگاه پاکستان
دریافت جایزه گوردون بل توسط دکتر خالد یک نقطه عطف برای دانشگاه پاکستان است. این نشان می‌دهد که تحقیقات بنیادی و داخلی می‌تواند تأثیر ملموسی بر مشکلات پیچیده و جهانی داشته باشد. او قصد دارد با تشویق دانشجویان و محققان برای ایجاد پایه‌های قوی ریاضی و محاسباتی از همان ابتدا، استعدادهای بیشتری را در پاکستان پرورش دهد. او توضیح می‌دهد: “من حدود 10 دانشجوی دکتری را راهنمایی کرده‌ام و آن‌ها را بزرگترین سرمایه خود می‌دانم. تماشای رشد آن‌ها بسیار ارزشمند است. اگر شما اصول بنیادی قوی داشته باشید، می‌توانید آن‌ها را در هر حوزه ای ؛چه تغییرات آب و هوایی، چه امور مالی و چه حقوق بشر ، اعمال کنید.”
“به گفته دکتر خالد، ایجاد ارتباط بین فناوری، داده‌ها و واقعیت‌های موجود در زمین، کلید حل چالش‌هایی مانند گرما زدگی، کمبود آب و آلودگی در مناطق مختلف کشور است.”
این رویکرد بنیادی دقیقاً همان چیزی است که دکتر خالد و همکارانش در دانشگاه مدیریت و علوم لاهور (LUMS) آموزش می‌دهند، جایی که مراکز تحقیقاتی اختصاصی مانند مرکز اطلاعات شهری، فناوری و سیاست (CiTy) را تأسیس کرده‌اند. او میگوید: “چند سال پیش، من و همکارانم مرکز CiTy را در LUMS تأسیس کردیم که هدف آن استفاده از داده‌ها و هوش مصنوعی برای حل چالش‌های شهری مانند آلودگی هوا، توزیع آب، جابجایی جمعیت و موارد دیگر است. این ترکیب تحقیقات بنیادی و کاربردی نشان می‌دهد که چگونه محاسبات پیشرفته می‌تواند به حل مشکلات فوری اجتماعی کمک کند.
نگاهی به آینده
برای افرادی که نگران تأثیرات تغییرات آب و هوایی بر جامعه خود هستند یا علاقه‌مند به ارتباط بین هوش مصنوعی، ابررایانه‌ها و پیشرفت‌های علمی هستند، تحقیقات دکتر خالد مسیر روشنی را نشان می‌دهد. با ترکیب محاسبات پیشرفته با داده‌های محلی، این مدل‌های جدید می‌توانند به همه افراد از کشاورزان در مناطق روستایی پاکستان تا برنامه‌ریزان شهری در کراچی کمک کنند تا بهتر برای تغییرات آب و هوایی آماده شوند و با آن سازگار شوند.
دریافت جایزه معتبر گوردون بل توسط دکتر خالد، سرمایه‌گذاری در ایده‌های بزرگ و محاسبات قوی برای مقابله با چالش‌های جهانی را به شدت تشویق میکند. در کشوری مانند پاکستان که با محدودیت‌های بودجه و منابع تحقیقاتی مواجه است، این دستاورد نشان می‌دهد که با تلاش، همکاری و تعهد به پیشرفت علمی، می‌توان به موفقیت‌های بزرگی دست یافت.در حالی که پاکستان با بحران‌های زیست محیطی؛ آلودگی هوا، سیل‌های مرگبار و کمبود مزمن آب دست و پنجه نرم میکند، تأثیر واقعی شبیه‌ساز اگزاسکیل دکتر خالد می‌تواند بسیار موثر باشد. در آینده نزدیک، سیاست‌های کنترل آلودگی هوا در سطح شهر یا هشدارهای به موقع سیل ممکن است به شدت به بینش‌های حاصل از شبیه‌سازی‌های آب و هوایی با وضوح بالا بستگی داشته باشد و به محافظت از جان و معیشت مردم در سراسر کشور کمک کند.
در پایان لازم به ذکر است که دانشگاه مدیریت و علوم لاهور تفاهم نامه همکاری با اندیشکده اقبال داشته و امیدواریم به زودی ثمره این همکاری را شاهد باشیم.
