El modelo del sistema terrestre E3SM de alta resolución simula las tormentas más fuertes con vientos en la superficie que superan las 150 mph, huracanes que dejan estelas frías de 2 a 4 grados Celsius más frías que su entorno. Esta simulación de E3SM representa cómo los cambios de temperatura de la superficie del mar evolucionan a medida que un huracán (visto aquí acercándose a la costa este de EE. UU.) Se mueve a través del Atlántico y cómo la estela fría resultante afecta la intensificación posterior del próximo huracán. Crédito:LANL
Un nuevo sistema de modelado de la Tierra presentado hoy tendrá una resolución a escala meteorológica y utilizará computadoras avanzadas para simular aspectos de la variabilidad de la Tierra y anticipar cambios decenales que tendrán un impacto crítico en el sector energético de EE. UU. En los próximos años.
"Este esfuerzo de múltiples laboratorios será un gran avance en nuestras ya importantes capacidades para el modelado de sistemas terrestres y el análisis relacionado con la energía, "dijo John Sarrao, Director Asociado Principal de Ciencias, Tecnología e Ingeniería en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. "Nuestro laboratorio, junto con nuestras instituciones hermanas, ha hecho contribuciones significativas al modelado de sistemas terrestres durante las décadas anteriores, pero esta última contribución lleva nuestro trabajo a un nivel completamente nuevo ".
Después de cuatro años de desarrollo, Este mes se dará a conocer a la comunidad científica en general el modelo Energy Exascale Earth System Model (E3SM). El proyecto E3SM cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental. La versión E3SM incluirá el código de modelo y la documentación, así como la salida de un conjunto inicial de simulaciones de referencia.
La tierra, con sus innumerables interacciones de atmósfera, océanos componentes de tierra y hielo, presenta un sistema de investigación extraordinariamente complejo. La simulación del sistema terrestre implica resolver aproximaciones de física, ecuaciones de gobierno químicas y biológicas en cuadrículas espaciales en resoluciones que son tan finas en escala como lo permitan los recursos informáticos.
"E3SM es el primer modelo de sistema terrestre de múltiples escalas de extremo a extremo, lo que significa que podemos enfocar la resolución del modelo y los recursos informáticos hacia ubicaciones específicas para ayudar a responder preguntas específicas que son importantes para el DOE, ", dijo el investigador Steve Price de Los Alamos." Por ejemplo, Los Alamos está utilizando E3SM con resolución enfocada alrededor de la Antártida para mejorar el modelo de cómo las aguas del océano derriten las plataformas de hielo, el proceso crítico que controla la probabilidad de un aumento abrupto del nivel del mar ".
El proyecto E3SM simulará de manera confiable aspectos de la variabilidad del sistema terrestre y proyectará cambios decenales que tendrán un impacto crítico en el sector energético de EE. UU. En un futuro próximo. Estos factores críticos incluyen a) temperaturas regionales del aire / agua, que puede tensar las redes de energía; b) disponibilidad de agua, que afecta las operaciones de la planta de energía; c) eventos extremos del ciclo del agua (por ejemplo, inundaciones y sequías), que impactan en la infraestructura y la bioenergía; yd) aumento del nivel del mar e inundaciones costeras que amenazan la infraestructura costera.
"No faltan problemas importantes que podemos abordar con esta nueva capacidad de modelado, "dijo Todd Ringler, también de Los Alamos. "Toma el Ártico, por ejemplo. Está cambiando rápidamente, y esto presenta nuevas oportunidades y nuevos riesgos de seguridad. Esta nueva capacidad de modelado, en particular los nuevos enfoques que desarrollamos para los sistemas oceánicos y de hielo marino, será fundamental para predecir cómo, cuándo y por qué del Ártico cambiante ".
El objetivo del proyecto es desarrollar un modelo de sistema terrestre (ESM) que no ha sido posible debido a las limitaciones de las tecnologías informáticas actuales. Alcanzar este objetivo requerirá avances en tres fronteras:
"La calidad y la cantidad de observaciones realmente nos hace restringir los modelos, "dijo David Bader, Científico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y líder del proyecto E3SM. "Con el nuevo sistema, podremos simular de forma más realista el presente, lo que nos da más confianza para simular el futuro ".
Simular la dinámica de fluidos atmosféricos y oceánicos con una resolución espacial fina es un desafío especial para los ESM. El proyecto E3SM se posiciona a la vanguardia de este desafío de investigación, actuando en nombre de un esfuerzo de ESM internacional. Aumentar el número de días del sistema terrestre simulados por día de tiempo de computación es un requisito previo para lograr el objetivo del proyecto E3SM. También es importante que E3SM utilice eficazmente las diversas arquitecturas informáticas que la Oficina de Investigación en Computación Científica Avanzada (ASCR) del DOE adquiere para estar preparada para el futuro incierto de las máquinas de próxima generación.
Un objetivo a largo plazo del proyecto E3SM es utilizar máquinas de exaescala que se adquirirán durante los próximos cinco años. El desarrollo del E3SM avanza en conjunto con la Iniciativa de Computación Exascale (ECI). (Una exaescala se refiere a un sistema informático capaz de realizar mil millones de billones (109 x 109 =1018) cálculos por segundo. Esto representa un aumento de mil veces en el rendimiento sobre el de las computadoras más avanzadas de hace una década).
"Estamos particularmente interesados en evaluar con precisión el riesgo de un aumento abrupto del nivel del mar, digamos más de 3 pies, en algún momento de este siglo, "dijo Ringler." Para lograr esto, Los Alamos construyó modelos informáticos del océano completamente nuevos, sistemas de hielo terrestre y marino:este es un gran logro del equipo de modelado de Los Alamos ".
"Este modelo agrega una representación mucho más completa entre las interacciones del sistema energético y el sistema terrestre, ", Dijo Bader." El aumento de la potencia informática nos permite agregar más detalles a los procesos e interacciones que dan como resultado simulaciones más precisas y útiles que los modelos anteriores ".
Para abordar los diversos factores críticos que afectan al sector energético de EE. UU., El proyecto E3SM se dedica a responder tres preguntas científicas generales que impulsan sus iniciativas de experimentación numérica:
En el E3SM, todos los componentes del modelo (atmósfera, Oceano, tierra, ice) son capaces de emplear una resolución variable para enfocar la potencia de cálculo en procesos de escala fina en regiones de particular interés. Esto se implementa utilizando diseños de malla avanzados que reducen suavemente la escala de la cuadrícula desde la región exterior más gruesa a la región más refinada.
El proyecto E3SM incluye a más de 100 científicos e ingenieros de software en varios laboratorios del DOE, así como en varias universidades; los laboratorios del DOE incluyen Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Cresta de roble, Laboratorios nacionales Pacific Northwest y Sandia. En reconocimiento de unificar a la comunidad de modelado del sistema terrestre DOE para realizar simulaciones acopladas de alta resolución, El comité ejecutivo de E3SM fue galardonado con el Premio al Logro de la Secretaría de Energía en 2015.
Además, el proyecto E3SM también se beneficia de las colaboraciones programáticas del DOE, incluido el Proyecto de Computación Exascale (ECP) y los programas de Descubrimiento Científico a través de Computación Avanzada (SciDAC), Desarrollo y validación de modelos climáticos (CMDV), Medición de radiación atmosférica (ARM), Programa de Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos (PCMDI), Proyecto internacional de evaluación comparativa de modelos terrestres (iLAMB), Modelo del Sistema de la Tierra Comunitaria (CESM) y Experimentos de Ecosistemas de Próxima Generación (NGEE) para el Ártico y los Trópicos.
