La Terra, con la sua miriade di mutevoli atmosfere, oceanico, componenti di terra e ghiaccio:presenta un sistema straordinariamente complesso da simulare utilizzando modelli informatici.

Ma un nuovo sistema di modellazione della Terra, l'Energy Exascale Earth System Model (E3SM), è ora in grado di catturare e simulare tutti questi componenti insieme. Uscito il 23 aprile dopo quattro anni di sviluppo, E3SM presenta una risoluzione su scala meteorologica, ad es. dettagli sufficienti per catturare i fronti, tempeste e uragani e utilizza computer avanzati per simulare aspetti della variabilità della Terra. Il sistema può aiutare i ricercatori ad anticipare i cambiamenti su scala decennale che potrebbero influenzare il settore energetico degli Stati Uniti negli anni a venire.

"Con questo nuovo sistema, saremo in grado di simulare più realisticamente il presente, che ci dà più fiducia per simulare il futuro, "dice David Bader, scienziato computazionale presso il Lawrence Livermore National Laboratory e responsabile generale del progetto E3SM.

Il progetto E3SM è supportato dall'Ufficio per la ricerca biologica e ambientale del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE). "Uno degli scopi di E3SM è quello di aiutare a garantire che la missione climatica del DOE possa essere soddisfatta, anche su futuri sistemi exascale, " ha detto Robert Jacob, uno scienziato del clima computazionale nella divisione di scienze ambientali dell'Argonne National Laboratory del DOE e uno dei 15 co-leader del progetto.

Per sostenere questa missione, l'obiettivo del progetto è sviluppare un modello del sistema terrestre che aumenti l'affidabilità delle previsioni. Questo obiettivo è stato storicamente limitato dai vincoli nelle tecnologie informatiche e dalle incertezze nella teoria e nelle osservazioni. Il miglioramento dell'affidabilità delle previsioni richiede progressi su due fronti:(1) una migliore simulazione dei processi del sistema terrestre sviluppando nuovi modelli di processi fisici, aumentare la risoluzione del modello e migliorare le prestazioni computazionali; e (2) rappresentare le interazioni bidirezionali tra le attività umane e i processi naturali in modo più realistico, soprattutto dove queste interazioni influenzano il fabbisogno energetico degli Stati Uniti.

"Questo modello aggiunge una rappresentazione molto più completa tra le interazioni del sistema energetico e del sistema Terra, " ha detto David Bader, uno scienziato computazionale presso il Lawrence Livermore National Laboratory e responsabile generale del progetto E3SM. "Con questo nuovo sistema, saremo in grado di simulare più realisticamente il presente, che ci dà più fiducia per simulare il futuro."

La visione lunga

La simulazione della Terra implica la risoluzione di approssimazioni di fisica, equazioni di governo chimiche e biologiche su griglie spaziali alle massime risoluzioni possibili.

Infatti, aumentare il numero di giorni del sistema Terra simulati per giorno di tempo di calcolo a vari livelli di risoluzione è così importante che è un prerequisito per raggiungere l'obiettivo del progetto E3SM. La nuova versione può simulare 10 anni del sistema terrestre in un giorno a bassa risoluzione o un anno del sistema terrestre ad alta risoluzione in un giorno (un filmato di esempio è disponibile sul sito web del progetto). L'obiettivo è che E3SM supporti la simulazione di cinque anni del sistema terrestre in un singolo giorno di calcolo alla massima risoluzione possibile entro il 2021.

Questo obiettivo sottolinea la forte enfasi del progetto sia sulle prestazioni che sull'infrastruttura, due aree chiave di forza per Argonne. "I nostri ricercatori sono stati attivi nell'assicurare che il modello funzioni bene con molti thread, " disse Giacobbe, che guiderà il gruppo infrastrutture nella Fase II, che, con il rilascio iniziale di E3SM, inizia il 1 luglio. Individuando l'esperienza di threading dell'ingegnere delle prestazioni Azamat Mametjanov della divisione Matematica e Informatica di Argonne, Jacob ha continuato:"Abbiamo eseguito e testato su Theta, il nostro nuovo sistema a 10 petaflop presso la Leadership Computing Facility di Argonne, e condurrà alcune delle simulazioni ad alta risoluzione su quella piattaforma."

I ricercatori che utilizzano l'E3SM possono utilizzare una risoluzione variabile su tutti i componenti del modello (atmosfera, oceano, terra, Ghiaccio), consentendo loro di concentrare la potenza di calcolo su processi su larga scala in diverse regioni. Il software utilizza design mesh avanzati che assottigliano gradualmente la scala della griglia dalla regione esterna più ruvida alla regione più raffinata.

Adattamento per exascale

Gli sviluppatori di E3SM, più di 100 scienziati e ingegneri del software, hanno un obiettivo a lungo termine:utilizzare le macchine exascale che il DOE Advanced Scientific Computing Research Office prevede di acquistare nei prossimi cinque anni. Così, Lo sviluppo di E3SM sta procedendo di pari passo con l'Exascale Computing Initiative. (Exascale si riferisce a un sistema informatico in grado di eseguire un miliardo [10 ¹⁸ ] calcoli al secondo:un aumento di mille volte delle prestazioni rispetto ai computer più avanzati di dieci anni fa.)

Un altro focus chiave sarà sull'ingegneria del software, che comprende tutti i processi per lo sviluppo del modello; progettazione dei test; e sviluppare le infrastrutture necessarie, comprese librerie di input/output e software per l'accoppiamento dei modelli. E3SM utilizza il Model Coupling Toolkit (MCT) di Argonne, così come altri importanti modelli climatici (ad es. Community Earth System Model [CESM]) per accoppiare l'atmosfera, oceano e altri sottomodelli. (Una nuova versione di MCT [2.10] è stata rilasciata insieme a E3SM.)

Ulteriori contributi specifici per Argonne nella Fase II si concentreranno su:

• Modellazione delle colture:gli sforzi si concentreranno su una migliore emulazione di colture come mais, grano e soia, che migliorerà le influenze simulate delle colture sul carbonio, nutriente, ciclo energetico e idrico, oltre a catturare le implicazioni delle interazioni tra il sistema umano e la Terra
• Polveri e aerosol:questi svolgono un ruolo importante nell'atmosfera, radiazioni e nuvole, così come vari cicli chimici.

Collaborazione tra - e oltre - laboratori nazionali

Il progetto E3SM ha coinvolto ricercatori di diversi laboratori DOE tra cui Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Cresta della quercia, Laboratori nazionali Pacific Northwest e Sandia, così come diverse università.

Il progetto beneficia anche della collaborazione all'interno del DOE, anche con l'Exascale Computing Project e i programmi in Scientific Discovery through Advanced Computing, Sviluppo e convalida del modello climatico, Misurazione delle radiazioni atmosferiche, Programma per la diagnosi e l'intercomparazione dei modelli climatici, Progetto internazionale di benchmarking del modello territoriale, Modello del sistema terrestre comunitario ed esperimenti sull'ecosistema di nuova generazione per l'Artico e i tropici.