Een nieuw geïntegreerd computerklimaatmodel dat is ontwikkeld om onzekerheden in toekomstige klimaatvoorspellingen te verminderen, markeert de eerste succesvolle poging om aardsystemen te overbruggen met energie- en economische modellen en grootschalige menselijke impactgegevens. Het geïntegreerde aardesysteemmodel, of iESM, wordt gebruikt om interacties tussen het fysieke klimaatsysteem te onderzoeken, biologische componenten van het aardsysteem, en menselijke systemen.

Door gebruik te maken van supercomputers zoals Titan, een groot multidisciplinair team van wetenschappers onder leiding van Peter Thornton van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) had de kracht die nodig was om enorme codes te integreren die fysieke en biologische processen in het aardsysteem combineren met feedback van menselijke activiteit.

"Het model dat we hebben ontwikkeld en toegepast koppelt biosferische feedback van oceanen, atmosfeer, en land met menselijke activiteiten, zoals de uitstoot van fossiele brandstoffen, landbouw, en landgebruik, die belangrijke bronnen van onzekerheid uit de verwachte klimaatresultaten elimineert, " zei Thornton, leider van de Terrestrial Systems Modeling-groep in ORNL's Environmental Sciences Division en adjunct-directeur van ORNL's Climate Change Science Institute.

Titan is een 27 petaflop Cray XK7-machine met een hybride CPU-GPU-architectuur die wordt beheerd door de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een DOE Office of Science User Facility bij ORNL.

Via het Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge-programma, Het team van Thornton heeft 85 miljoen rekenuren gekregen om de inspanningen voor Accelerated Climate Modeling for Energy (ACME) te verbeteren, een project gesponsord door het Earth System Modeling-programma binnen DOE's Office of Biological and Environmental Research. Momenteel, ACME-medewerkers zijn gericht op het ontwikkelen van een geavanceerd klimaatmodel dat in staat is 80 jaar historische en toekomstige klimaatvariabiliteit en -verandering in 3 weken of minder computerinspanning te simuleren.

Nu in het derde jaar, het project heeft verschillende mijlpalen bereikt, met name de ontwikkeling van ACME versie 1 en de succesvolle opname van menselijke factoren in een van de componentmodellen, de iESM.

"Het unieke aan ACME is dat het het systeem naar een hogere resolutie duwt dan eerder is geprobeerd, "Zei Thornton. "Het stimuleert ook een uitgebreidere simulatiemogelijkheid door menselijke dimensies en andere ontwikkelingen op te nemen, wat de meest gedetailleerde aardsysteemmodellen tot nu toe oplevert."

De menselijke connectie

Om de modellen van het aardsysteem te informeren, de klimaatmodelleringsgemeenschap heeft een lange geschiedenis van het gebruik van geïntegreerde beoordelingsmodellen - kaders voor het beschrijven van de impact van de mensheid op de aarde, inclusief de bron van wereldwijde broeikasgassen, landgebruik en verandering van bodembedekking, en andere hulpbronnengerelateerde oorzaken van antropogene klimaatverandering.

Tot nu, onderzoekers waren er niet in geslaagd om grootschalige menselijke activiteit direct te koppelen aan een aardesysteemmodel. In feite, de nieuwe iESM zou een nieuw tijdperk van complexe en uitgebreide modellering kunnen markeren die onzekerheid vermindert door directe feedback op sociaaleconomische variabelen op te nemen voor meer consistente voorspellingen.

De ontwikkeling van iESM begon vóór het ACME-initiatief toen een multilaboratoriumteam nieuwe menselijke dimensies wilde toevoegen - zoals hoe mensen de planeet beïnvloeden om energie te produceren en te consumeren - aan aardse systeemmodellen. Het model - nu onderdeel van de ACME-component menselijke dimensies - wordt samengevoegd met ACME ter voorbereiding op ACME versie 2.

Samen met iESM, het ACME-team heeft verbeteringen aan het land toegevoegd, atmosfeer, en oceaancomponenten van hun code. Deze omvatten een beter kader voor het berekenen van de cyclische stroom van chemische elementen en verbindingen zoals koolstof, stikstof, en water in de omgeving. Het nieuwe ACME-landmodel omvat een volledig gekoppeld reactief transportschema voor deze biogeochemische processen. Deze mogelijkheid zorgt voor een meer consistente verbinding tussen fysieke (thermische en hydrologische) en biologische componenten van de simulatie.

Misschien wel de belangrijkste vooruitgang, echter, is de introductie van de fosforcyclus in de code. Fosfor is een essentiële voedingsstof voor het leven, verplaatsen van bodem en sediment naar planten en dieren en terug. ACME versie 1 is het eerste wereldwijde aardsysteemmodel dat deze dynamiek omvat.

Naast het verhogen van de resolutie van het model, en zo nieuwe parameters te schatten, voortdurende afstemming en optimalisatie van ACME heeft het team dichter bij het bereiken van zijn 80-jaar-in-3-weken-simulatiesnelheidsdoel gebracht. Met de vorderingen, het team kan nu ongeveer 3 of 4 gesimuleerde jaren per dag rennen, ongeveer twee keer de output van eerdere codeversies.

"Het algemene ACME-project omvat niet alleen het ontwikkelen van deze modellen met hoge resolutie, maar ook het optimaliseren van hun prestaties op krachtige computerplatforms die DOE tot haar beschikking heeft, waaronder Titan, om ons doel van 5 gesimuleerde jaren per dag te bereiken, ' zei Thornton.

Verhoogd gebruik van de GPU's van Titan helpt het project naar een hoger niveau te tillen. Matthew Norman van de OLCF werkt samen met het team van Thornton om verschillende onderdelen van ACME over te dragen aan GPU's, die uitblinken in het snel uitvoeren van repetitieve berekeningen.

"ACME versie 2 zou veel meer gebruik moeten maken van de GPU's om de simulatieprestaties te verbeteren, en er zijn andere projecten die spin-off-inspanningen zijn met ACME die gericht zijn op Summit [de volgende machine van leiderschapsklasse van OLCF] en toekomstige exascale-platforms, ' zei Norman.

De OLCF blijft het team helpen met gegevensbeheer via geavanceerde monitoring en ondersteuning van workflowtools om de tijd die onderzoekers nodig hebben om resultaten te krijgen, te verminderen. OLCF-personeel, inclusief liaisons Valentine Anantharaj en Norman, helpen ook met verschillende taken zoals debuggen, schalen, en het optimaliseren van code.

"De liaisons zijn cruciaal om ons te helpen begrijpen waar we moeten zoeken naar problemen wanneer ze zich voordoen en om de beste prestaties uit de Titan-supercomputer te halen, ' zei Thornton.

Om iESM de volgende stap te laten nemen, de weergave van landoppervlak tussen gekoppelde modellen moet consistenter worden. Het team wil ook andere dimensies, inclusief waterbeheer en -berging, landbouwproductiviteit, en prijsstructuren voor grondstoffen. Dit zal betere informatie opleveren over mogelijke veranderingen in de beschikbaarheid van waterbronnen, toewijzing, en tekorten onder verschillende klimaten.

"Deze verbeteringen zijn van vitaal belang omdat er bezorgdheid bestaat dat zoetwaterbronnen het knelpunt kunnen zijn dat als eerste wordt gevoeld, ' zei Thornton.

ACME versie 1 zal eind 2017 publiekelijk worden vrijgegeven voor analyse en gebruik door andere onderzoekers. Resultaten van het model zullen ook bijdragen aan het Coupled Model Intercomparison Project, die het basismateriaal levert voor evaluatierapporten over klimaatverandering.