Un nuovo sistema di modellazione della Terra presentato oggi avrà una risoluzione su scala meteorologica e utilizzerà computer avanzati per simulare aspetti della variabilità della Terra e anticipare i cambiamenti decennali che avranno un impatto critico sul settore energetico degli Stati Uniti nei prossimi anni.

"Questo sforzo multilaboratorio rappresenterà un enorme progresso nelle nostre già importanti capacità di modellazione dei sistemi terrestri e analisi legate all'energia, " disse Giovanni Sarrao, Direttore associato principale per la scienza, Tecnologia e ingegneria al Laboratorio Nazionale di Los Alamos. "Il nostro laboratorio, insieme alle nostre istituzioni sorelle, ha dato un contributo significativo alla modellazione dei sistemi terrestri nei decenni precedenti, ma questo ultimo contributo porta il nostro lavoro a un livello completamente nuovo."

Dopo quattro anni di sviluppo, l'Energy Exascale Earth System Model (E3SM) sarà rilasciato alla più ampia comunità scientifica questo mese. Il progetto E3SM è sostenuto dall'Ufficio di Scienze del Dipartimento di Energia nell'Ufficio di Ricerca Biologica e Ambientale. La versione E3SM includerà codice modello e documentazione, così come l'output di una serie iniziale di simulazioni di benchmark.

La terra, con le sue innumerevoli interazioni di atmosfera, oceani, componenti di terra e ghiaccio, presenta un sistema di indagine straordinariamente complesso. La simulazione del sistema Terra comporta la risoluzione di approssimazioni di fisica, equazioni di governo chimiche e biologiche su griglie spaziali a risoluzioni tanto fini quanto consentito dalle risorse di calcolo.

"E3SM è il primo modello di sistema terrestre multiscala end-to-end, il che significa che possiamo concentrare la risoluzione del modello e le risorse del computer verso posizioni specifiche per aiutare a rispondere a domande specifiche che sono importanti per il DOE, " ha detto il ricercatore Steve Price di Los Alamos. "Ad esempio, Los Alamos sta utilizzando E3SM con una risoluzione mirata intorno all'Antartide per migliorare la modellazione di come le acque oceaniche fondono le piattaforme di ghiaccio, il processo critico che controlla la probabilità di un brusco innalzamento del livello del mare".

Il progetto E3SM simulerà in modo affidabile aspetti della variabilità del sistema terrestre e proietterà cambiamenti decennali che avranno un impatto critico sul settore energetico degli Stati Uniti nel prossimo futuro. Questi fattori critici includono a) temperature aria/acqua regionali, che possono mettere a dura prova le reti energetiche; b) disponibilità di acqua, che interessa le operazioni della centrale elettrica; c) eventi estremi del ciclo idrico (ad esempio inondazioni e siccità), che impattano sulle infrastrutture e sulla bioenergia; e d) innalzamento del livello del mare e inondazioni costiere che minacciano le infrastrutture costiere.

"Non mancano problemi importanti che possiamo affrontare con questa nuova capacità di modellazione, "ha detto Todd Ringler, anche di Los Alamos. "Prendi l'Artico, Per esempio. Sta cambiando rapidamente e questo presenta nuove opportunità e nuovi rischi per la sicurezza. Questa nuova capacità di modellazione, in particolare i nuovi approcci che abbiamo sviluppato per l'oceano e i sistemi di ghiaccio marino, sarà fondamentale per prevedere come, quando e perché del cambiamento dell'Artico".

L'obiettivo del progetto è sviluppare un modello del sistema terrestre (ESM) che non è stato possibile a causa delle limitazioni delle attuali tecnologie informatiche. Raggiungere questo obiettivo richiederà progressi su tre frontiere:

1. risolvere meglio i processi del sistema terra attraverso una combinazione strategica di sviluppo di nuovi processi nel modello, maggiore risoluzione del modello e prestazioni computazionali migliorate;
2. rappresentando più realisticamente le interazioni bidirezionali tra le attività umane e i processi naturali, soprattutto dove queste interazioni influenzano il fabbisogno energetico degli Stati Uniti; e
3. modellazione di insieme per quantificare l'incertezza delle simulazioni e delle proiezioni del modello.

"La qualità e la quantità delle osservazioni ci fa davvero vincolare i modelli, " ha detto David Bader, Scienziato del Lawrence Livermore National Laboratory e responsabile del progetto E3SM. "Con il nuovo sistema, saremo in grado di simulare più realisticamente il presente, che ci dà più fiducia per simulare il futuro."

La simulazione della fluidodinamica atmosferica e oceanica con una risoluzione spaziale fine è particolarmente impegnativa per gli ESM. Il progetto E3SM si posiziona in prima linea in questa sfida di ricerca, agendo per conto di uno sforzo internazionale del MES. L'aumento del numero di giorni del sistema terrestre simulati per giorno di tempo di calcolo è un prerequisito per raggiungere l'obiettivo del progetto E3SM. È anche importante che E3SM utilizzi in modo efficace le diverse architetture di computer che l'ufficio DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) procura per prepararsi al futuro incerto delle macchine di prossima generazione.

Un obiettivo a lungo termine del progetto E3SM è quello di utilizzare macchine exascale da acquistare nei prossimi cinque anni. Lo sviluppo dell'E3SM sta procedendo di pari passo con l'Exascale Computing Initiative (ECI). (Un exascale si riferisce a un sistema informatico in grado di eseguire un miliardo di miliardi (109 x 109 =1018) di calcoli al secondo. Ciò rappresenta un aumento delle prestazioni di mille volte rispetto a quello dei computer più avanzati di un decennio fa).

"Siamo particolarmente interessati a valutare con precisione il rischio di un brusco innalzamento del livello del mare, diciamo più di 3 piedi, durante questo secolo, " ha detto Ringler. "Per realizzare questo, Los Alamos ha costruito modelli computerizzati completamente nuovi dell'oceano, sistemi di ghiaccio terrestre e marino:questo è un enorme risultato del team di modellazione di Los Alamos".

"Questo modello aggiunge una rappresentazione molto più completa tra le interazioni del sistema energetico e del sistema terrestre, " Bader ha detto. "L'aumento della potenza di calcolo ci consente di aggiungere più dettagli ai processi e alle interazioni che si traducono in simulazioni più accurate e utili rispetto ai modelli precedenti".

Per affrontare i diversi fattori critici che incidono sul settore energetico degli Stati Uniti, il progetto E3SM è dedicato a rispondere a tre domande scientifiche generali che guidano le sue iniziative di sperimentazione numerica:

• Ciclo dell'acqua:in che modo il ciclo idrologico interagisce con il resto del sistema uomo-terra su scala locale o globale per determinare la disponibilità di acqua e gli estremi del ciclo dell'acqua?
• Biogeochimica:come interagiscono i cicli biogeochimici con altri componenti del sistema Terra per influenzare il settore energetico?
• Sistemi della criosfera:in che modo i rapidi cambiamenti nei sistemi della criosfera (ghiaccio continentale e oceanico) si evolvono con il sistema terrestre e contribuiscono all'innalzamento del livello del mare e alla maggiore vulnerabilità delle coste?

Nell'E3SM, tutti i componenti del modello (atmosfera, oceano, terra, ice) sono in grado di impiegare risoluzioni variabili per concentrare la potenza di calcolo su processi su piccola scala in regioni di particolare interesse. Ciò viene implementato utilizzando design mesh avanzati che assottigliano gradualmente la scala della griglia dalla regione esterna più ruvida alla regione più raffinata.

Il progetto E3SM include più di 100 scienziati e ingegneri del software presso più laboratori DOE e diverse università; i laboratori del DOE includono Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Cresta della quercia, Laboratori nazionali Pacific Northwest e Sandia. In riconoscimento dell'unificazione della comunità di modellazione del sistema terrestre DOE per eseguire simulazioni accoppiate ad alta risoluzione, il comitato esecutivo di E3SM è stato insignito del Secretary of Energy's Achievement Award nel 2015.

Inoltre, il progetto E3SM beneficia anche di collaborazioni programmatiche DOE tra cui l'Exascale Computing Project (ECP) e programmi in Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC), Sviluppo e convalida del modello climatico (CMDV), Misurazione delle radiazioni atmosferiche (ARM), Programma per la diagnosi e l'intercomparazione dei modelli climatici (PCMDI), Progetto internazionale di benchmarking del modello territoriale (iLAMB), Community Earth System Model (CESM) e Next Generation Ecosystem Experiments (NGEE) per l'Artico e i tropici.