La Tierra, con su miríada de cambios atmosféricos, oceánico, Componentes de tierra y hielo:presenta un sistema extraordinariamente complejo para simular utilizando modelos informáticos.

Pero un nuevo sistema de modelado de la Tierra, el modelo de sistema terrestre de exaescala de energía (E3SM), ahora puede capturar y simular todos estos componentes juntos. Lanzado el 23 de abril, después de cuatro años de desarrollo, E3SM presenta una resolución a escala meteorológica, es decir, suficiente detalle para capturar frentes, tormentas y huracanes, y utiliza computadoras avanzadas para simular aspectos de la variabilidad de la Tierra. El sistema puede ayudar a los investigadores a anticipar cambios a escala decenal que podrían influir en el sector energético de EE. UU. En los próximos años.

"Con este nuevo sistema, podremos simular de forma más realista el presente, lo que nos da más confianza para simular el futuro, "dice David Bader, científico computacional en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y líder general del proyecto E3SM.

El proyecto E3SM cuenta con el apoyo de la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Uno de los propósitos de E3SM es ayudar a garantizar que se pueda cumplir la misión climática del DOE, incluso en futuros sistemas de exaescala, "dijo Robert Jacob, un científico del clima computacional en la división de Ciencias Ambientales del Laboratorio Nacional Argonne del DOE y uno de los 15 colíderes del proyecto.

Para apoyar esta misión, El objetivo del proyecto es desarrollar un modelo de sistema terrestre que aumente la confiabilidad de la predicción. Históricamente, este objetivo ha estado limitado por limitaciones en las tecnologías informáticas e incertidumbres en la teoría y las observaciones. Mejorar la confiabilidad de la predicción requiere avances en dos fronteras:(1) simulación mejorada de los procesos del sistema de la Tierra mediante el desarrollo de nuevos modelos de procesos físicos, aumentar la resolución del modelo y mejorar el rendimiento computacional; y (2) representar las interacciones bidireccionales entre las actividades humanas y los procesos naturales de manera más realista, especialmente cuando estas interacciones afectan las necesidades energéticas de EE. UU.

"Este modelo agrega una representación mucho más completa entre las interacciones del sistema energético y el sistema terrestre, "dijo David Bader, un científico computacional en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y líder general del proyecto E3SM. "Con este nuevo sistema, podremos simular de forma más realista el presente, lo que nos da más confianza para simular el futuro ".

La vista a largo plazo

Simular la Tierra implica resolver aproximaciones de física, ecuaciones de gobierno químicas y biológicas en cuadrículas espaciales con las resoluciones más altas posibles.

De hecho, Aumentar el número de días del sistema terrestre simulados por día de tiempo de computación en diferentes niveles de resolución es tan importante que es un requisito previo para lograr el objetivo del proyecto E3SM. La nueva versión puede simular 10 años del sistema de la Tierra en un día a baja resolución o un año del sistema de la Tierra a alta resolución en un día (una película de muestra está disponible en el sitio web del proyecto). El objetivo es que E3SM admita la simulación de cinco años del sistema de la Tierra en un solo día de computación en su resolución más alta posible para 2021.

Este objetivo subraya el gran énfasis del proyecto tanto en el desempeño como en la infraestructura, dos áreas clave de fortaleza para Argonne. "Nuestros investigadores han estado activos para garantizar que el modelo funcione bien con muchos subprocesos, "dijo Jacob, quién liderará el grupo de infraestructura en la Fase II, que, con el lanzamiento inicial de E3SM, comienza el 1 de julio. Destacando la experiencia en subprocesos del ingeniero de rendimiento Azamat Mametjanov de la división de Matemáticas y Ciencias de la Computación de Argonne, Jacob continuó:"Hemos estado ejecutando y probando en Theta, nuestro nuevo sistema de 10 petaflop en el Centro de Computación de Liderazgo de Argonne, y realizará algunas de las simulaciones de alta resolución en esa plataforma ".

Los investigadores que utilizan el E3SM pueden emplear una resolución variable en todos los componentes del modelo (atmósfera, Oceano, tierra, hielo), permitiéndoles enfocar la potencia informática en procesos a gran escala en diferentes regiones. El software utiliza diseños de malla avanzados que reducen suavemente la escala de la cuadrícula desde la región exterior más gruesa hasta la región más refinada.

Adaptación para exaescala

Los desarrolladores de E3SM, más de 100 científicos e ingenieros de software, tienen un objetivo a más largo plazo:utilizar las máquinas de exaescala que la Oficina de Investigación de Computación Científica Avanzada del DOE espera adquirir durante los próximos cinco años. Por lo tanto, El desarrollo de E3SM avanza en conjunto con la Iniciativa de Computación Exascale. (La exaescala se refiere a un sistema informático capaz de realizar mil millones [10 ¹⁸ ] cálculos por segundo:un aumento de mil veces en el rendimiento en comparación con las computadoras más avanzadas de hace una década).

Otro enfoque clave será la ingeniería de software, que incluye todos los procesos para desarrollar el modelo; diseñar las pruebas; y el desarrollo de la infraestructura necesaria, incluyendo bibliotecas de entrada / salida y software para acoplar los modelos. E3SM utiliza Model Coupling Toolkit (MCT) de Argonne, al igual que otros modelos climáticos líderes (por ejemplo, Community Earth System Model [CESM]) para acoplar la atmósfera, océano y otros submodelos. (Se lanzó una nueva versión de MCT [2.10] junto con E3SM).

Las contribuciones adicionales específicas de Argonne en la Fase II se centrarán en:

• Modelado de cultivos:los esfuerzos se centrarán en emular mejor cultivos como el maíz, trigo y soja, que mejorará las influencias simuladas de los cultivos sobre el carbono, nutritivo, ciclos de energía y agua, así como captar las implicaciones de las interacciones del sistema humano-Tierra
• Polvo y aerosoles:estos juegan un papel importante en la atmósfera, radiación y nubes, así como varios ciclos químicos.

Colaboración entre laboratorios nacionales y más allá

El proyecto E3SM ha involucrado a investigadores en múltiples laboratorios del DOE, incluido Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Cresta de roble, Laboratorios nacionales Pacific Northwest y Sandia, así como varias universidades.

El proyecto también se beneficia de la colaboración dentro del DOE, incluso con el Proyecto de Computación Exascale y los programas en Descubrimiento Científico a través de Computación Avanzada, Desarrollo y validación de modelos climáticos, Medición de radiación atmosférica, Programa de Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos, Proyecto internacional de evaluación comparativa de modelos terrestres, Modelo de sistema comunitario de la tierra y experimentos de ecosistemas de próxima generación para el Ártico y los trópicos.