Un nuovo modello climatico computazionale integrato sviluppato per ridurre le incertezze nelle previsioni climatiche future segna il primo tentativo riuscito di collegare i sistemi della Terra con modelli energetici ed economici e dati sull'impatto umano su larga scala. Il Modello del Sistema Terra integrato, o IESM, viene utilizzato per esplorare le interazioni tra il sistema climatico fisico, componenti biologiche del sistema Terra, e sistemi umani.

Utilizzando supercomputer come Titan, un grande team multidisciplinare di scienziati guidati da Peter Thornton dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) aveva il potere necessario per integrare enormi codici che combinano processi fisici e biologici nel sistema Terra con feedback dall'attività umana.

"Il modello che abbiamo sviluppato e applicato accoppia feedback biosferici dagli oceani, atmosfera, e terra con attività umane, come le emissioni di combustibili fossili, agricoltura, e uso del suolo, che elimina importanti fonti di incertezza dai risultati climatici previsti, " disse Thornton, capo del gruppo di modellizzazione dei sistemi terrestri nella divisione di scienze ambientali dell'ORNL e vicedirettore del Climate Change Science Institute dell'ORNL.

Titan è una macchina Cray XK7 da 27 petaflop con un'architettura ibrida CPU-GPU gestita dall'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), un DOE Office of Science User Facility situato presso l'ORNL.

Attraverso il programma Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, Il team di Thornton ha ricevuto 85 milioni di ore di calcolo per migliorare lo sforzo di Accelerated Climate Modeling for Energy (ACME), un progetto sponsorizzato dal programma Earth System Modeling all'interno dell'Office of Biological and Environmental Research del DOE. Attualmente, I collaboratori di ACME sono concentrati sullo sviluppo di un modello climatico avanzato in grado di simulare 80 anni di variabilità e cambiamento climatico storici e futuri in 3 settimane o meno di sforzo di calcolo.

Giunto al terzo anno, il progetto ha raggiunto diversi traguardi, in particolare lo sviluppo della versione 1 di ACME e il successo dell'inclusione dei fattori umani in uno dei suoi modelli componenti, l'IESM.

"La particolarità di ACME è che sta spingendo il sistema a una risoluzione più alta di quanto sia stato tentato prima, " ha detto Thornton. "Sta anche spingendo verso una capacità di simulazione più completa includendo le dimensioni umane e altri progressi, producendo i modelli del sistema terrestre più dettagliati fino ad oggi."

La connessione umana

Per informare i suoi modelli del sistema Terra, la comunità dei modelli climatici ha una lunga storia di utilizzo di modelli di valutazione integrati, quadri per descrivere l'impatto dell'umanità sulla Terra, compresa la fonte di gas serra globali, cambiamento dell'uso del suolo e della copertura del suolo, e altri fattori legati alle risorse del cambiamento climatico antropogenico.

Fino ad ora, i ricercatori non erano stati in grado di accoppiare direttamente l'attività umana su larga scala con un modello del sistema terrestre. Infatti, il nuovo iESM potrebbe segnare una nuova era di modellazione complessa e completa che riduce l'incertezza incorporando feedback immediati alle variabili socioeconomiche per previsioni più coerenti.

Lo sviluppo di iESM è iniziato prima dell'iniziativa ACME quando un team multilaboratorio mirava ad aggiungere nuove dimensioni umane, come il modo in cui le persone influenzano il pianeta per produrre e consumare energia, ai modelli del sistema Terra. Il modello, ora parte del componente delle dimensioni umane di ACME, viene fuso con ACME in preparazione per la versione 2 di ACME.

Insieme a iESM, il team ACME ha aggiunto miglioramenti al terreno, atmosfera, e componenti oceaniche del loro codice. Questi includono un quadro più capace per calcolare il flusso ciclico di elementi chimici e composti come il carbonio, azoto, e acqua nell'ambiente. Il nuovo modello di terreno ACME include uno schema di trasporto reattivo completamente accoppiato per questi processi biogeochimici. Questa capacità fornirà una connessione più coerente tra le componenti fisiche (termiche e idrologiche) e biologiche della simulazione.

Forse il progresso più significativo, però, è l'introduzione del ciclo del fosforo nel codice. Il fosforo è un nutriente essenziale per la vita, passando dal suolo e dai sedimenti alle piante e agli animali e viceversa. ACME versione 1 è il primo modello di sistema terrestre globale che include questa dinamica.

Oltre ad aumentare la risoluzione del modello, e quindi stimando nuovi parametri, la messa a punto e l'ottimizzazione continue di ACME hanno avvicinato il team al raggiungimento dell'obiettivo di velocità di simulazione di 80 anni in 3 settimane. Con le anticipazioni, il team può ora eseguire circa 3 o 4 anni simulati al giorno, circa il doppio dell'output delle versioni precedenti del codice.

"Il progetto generale ACME non prevede solo lo sviluppo di questi modelli ad alta risoluzione, ma anche l'ottimizzazione delle loro prestazioni su piattaforme di calcolo ad alte prestazioni che il DOE ha a sua disposizione, incluso Titan, per raggiungere il nostro obiettivo di 5 anni simulati al giorno, " ha detto Thornton.

Un maggiore utilizzo delle GPU di Titan sta aiutando il progetto a raggiungere il livello successivo. Matthew Norman dell'OLCF sta lavorando con il team di Thornton per scaricare varie parti di ACME su GPU, che eccellono nell'esecuzione rapida di calcoli ripetitivi.

"ACME versione 2 dovrebbe fare molto più uso delle GPU per aumentare le prestazioni di simulazione, e ci sono altri progetti che sono sforzi spin-off utilizzando ACME che hanno come obiettivo Summit [la prossima macchina di classe dirigente dell'OLCF] e future piattaforme exascale, "disse Normanno.

L'OLCF continua ad assistere il team nella gestione dei dati tramite il monitoraggio avanzato e il supporto di strumenti per il flusso di lavoro per ridurre il tempo necessario ai ricercatori per ottenere risultati. personale dell'OLCF, comprese le relazioni Valentine Anantharaj e Norman, stanno anche aiutando con varie attività come il debug, ridimensionamento, e ottimizzando il codice.

"I collegamenti sono fondamentali per aiutarci a capire dove cercare i problemi quando si presentano e ottenere le migliori prestazioni dal supercomputer Titan, " ha detto Thornton.

Affinché iESM faccia il passo successivo, la rappresentazione della superficie terrestre tra modelli accoppiati deve diventare più consistente. Il team mira anche a includere altre dimensioni, compresa la gestione e lo stoccaggio dell'acqua, produttività agricola, e le strutture dei prezzi delle materie prime. Ciò fornirà migliori informazioni sui potenziali cambiamenti nella disponibilità delle risorse idriche, allocazione, e carenze in climi diversi.

"Questi miglioramenti sono fondamentali poiché si teme che le risorse di acqua dolce possano essere il punto critico che si fa sentire per primo, " ha detto Thornton.

La versione 1 di ACME sarà rilasciata pubblicamente alla fine del 2017 per l'analisi e l'utilizzo da parte di altri ricercatori. I risultati del modello contribuiranno anche al progetto di intercomparazione del modello accoppiato, che fornisce materiale fondamentale per i rapporti di valutazione del cambiamento climatico.