Een nieuw aardemodelleringssysteem dat vandaag is onthuld, zal een resolutie op weerschaal hebben en geavanceerde computers gebruiken om aspecten van de variabiliteit van de aarde te simuleren en te anticiperen op decadale veranderingen die de komende jaren een kritische invloed zullen hebben op de Amerikaanse energiesector.

"Deze multilaboratoriuminspanning zal een enorme vooruitgang zijn in onze toch al belangrijke mogelijkheden voor modellering van aardsystemen en energiegerelateerde analyse, " zei John Sarrao, Hoofd Associate Director voor Wetenschap, Technologie en Engineering bij Los Alamos National Laboratory. "Ons laboratorium, samen met onze zusterinstellingen, heeft de afgelopen decennia een belangrijke bijdrage geleverd aan de modellering van aardsystemen, maar deze laatste bijdrage tilt ons werk naar een geheel nieuw niveau."

Na vier jaar ontwikkeling, het Energy Exascale Earth System Model (E3SM) wordt deze maand vrijgegeven aan de bredere wetenschappelijke gemeenschap. Het E3SM-project wordt ondersteund door het Department of Energy's Office of Science in het Biological and Environmental Research Office. De E3SM-release bevat modelcode en documentatie, evenals output van een eerste reeks benchmarksimulaties.

De aarde, met zijn talloze interacties van atmosfeer, oceanen, land- en ijscomponenten, presenteert een buitengewoon complex systeem voor onderzoek. Simulatie van het aardsysteem omvat het oplossen van benaderingen van fysieke, chemische en biologische regelvergelijkingen op ruimtelijke rasters met resoluties die zo klein zijn als de computerbronnen toelaten.

"E3SM is het eerste end-to-end multischaalmodel van het aardsysteem, wat betekent dat we modelresolutie en computerbronnen kunnen richten op specifieke locaties om specifieke vragen te beantwoorden die belangrijk zijn voor de DOE, " zei onderzoeker Steve Price van Los Alamos. "Bijvoorbeeld, Los Alamos gebruikt E3SM met gerichte resolutie rond Antarctica om de modellering te verbeteren van hoe oceaanwater ijsplaten doet smelten - het kritieke proces dat de waarschijnlijkheid van abrupte zeespiegelstijging controleert."

Het E3SM-project zal op betrouwbare wijze aspecten van de variabiliteit van het aardsysteem simuleren en decadale veranderingen projecteren die in de nabije toekomst een kritische impact zullen hebben op de Amerikaanse energiesector. Deze kritische factoren omvatten a) regionale lucht-/watertemperaturen, die energienetten kunnen belasten; b) beschikbaarheid van water, die de werking van de elektriciteitscentrale beïnvloedt; c) extreme gebeurtenissen in de watercyclus (bijv. overstromingen en droogtes), die van invloed zijn op infrastructuur en bio-energie; en d) zeespiegelstijging en kustoverstromingen die de kustinfrastructuur bedreigen.

"Er is geen gebrek aan belangrijke problemen die we kunnen aanpakken met deze nieuwe modelleringscapaciteit, " zei Todd Ringler, ook van Los Alamos. "Neem de Noordpool, bijvoorbeeld. Het verandert snel - en dit biedt nieuwe kansen en nieuwe veiligheidsrisico's. Deze nieuwe modelleringscapaciteit - met name de nieuwe benaderingen die we hebben ontwikkeld voor de oceaan- en zee-ijssystemen - zal van cruciaal belang zijn voor het voorspellen van het hoe, wanneer en waarom van het veranderende Noordpoolgebied."

Het doel van het project is om een ​​aardesysteemmodel (ESM) te ontwikkelen dat niet mogelijk was vanwege beperkingen in de huidige computertechnologieën. Om dit doel te bereiken is vooruitgang nodig op drie fronten:

1. beter oplossen van aardsysteemprocessen door een strategische combinatie van het ontwikkelen van nieuwe processen in het model, verhoogde modelresolutie en verbeterde rekenprestaties;
2. een meer realistische weergave van de wederzijdse interacties tussen menselijke activiteiten en natuurlijke processen, vooral wanneer deze interacties de Amerikaanse energiebehoeften beïnvloeden; en
3. ensemblemodellering om de onzekerheid van modelsimulaties en -projecties te kwantificeren.

"De kwaliteit en kwantiteit van waarnemingen zorgen ervoor dat we de modellen echt beperken, " zei David Bader, Lawrence Livermore National Laboratory wetenschapper en leider van het E3SM-project. “Met het nieuwe systeem kunnen we het heden realistischer simuleren, wat ons meer vertrouwen geeft om de toekomst te simuleren."

Het simuleren van atmosferische en oceanische vloeistofdynamica met fijne ruimtelijke resolutie is vooral een uitdaging voor ESM's. Het E3SM-project bevindt zich in de voorhoede van deze onderzoeksuitdaging, optreden namens een internationale ESM-inspanning. Het verhogen van het aantal gesimuleerde aarde-systeemdagen per dag rekentijd is een voorwaarde om het E3SM-projectdoel te bereiken. Het is ook belangrijk voor E3SM om effectief gebruik te maken van de diverse computerarchitecturen die het DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Office aanschaft om voorbereid te zijn op de onzekere toekomst van de volgende generatie machines.

Een langetermijndoel van het E3SM-project is het gebruik van exascale-machines die in de komende vijf jaar zullen worden aangeschaft. De ontwikkeling van de E3SM verloopt parallel met het Exascale Computing Initiative (ECI). (Een exaschaal verwijst naar een computersysteem dat in staat is om een ​​miljard miljard (109 x 109 =1018) berekeningen per seconde uit te voeren. Dit vertegenwoordigt een duizendvoudige toename van de prestaties ten opzichte van die van de meest geavanceerde computers van tien jaar geleden).

"We zijn vooral geïnteresseerd in het nauwkeurig inschatten van het risico van abrupte zeespiegelstijging, zeg meer dan 3 voet, ergens in deze eeuw, "zei Ringler. "Om dit te bereiken, Los Alamos construeerde geheel nieuwe computermodellen van de oceaan, land- en zee-ijssystemen - dit is een enorme prestatie van het Los Alamos-modelleringsteam."

"Dit model voegt een veel completere weergave toe tussen interacties van het energiesysteem en het aardesysteem, "Zei Bader. "De toename van de rekenkracht stelt ons in staat om meer details aan processen en interacties toe te voegen, wat resulteert in nauwkeurigere en bruikbare simulaties dan eerdere modellen."

Om de diverse kritieke factoren die van invloed zijn op de Amerikaanse energiesector aan te pakken, het E3SM-project is gewijd aan het beantwoorden van drie overkoepelende wetenschappelijke vragen die ten grondslag liggen aan de initiatieven voor numerieke experimenten:

• Watercyclus:hoe werkt de hydrologische cyclus samen met de rest van het systeem van de mens en de aarde op lokale tot mondiale schaal om de beschikbaarheid van water en extremen van de watercyclus te bepalen?
• Biogeochemie:hoe interageren biogeochemische cycli met andere componenten van het aardsysteem om de energiesector te beïnvloeden?
• Cryosfeersystemen:hoe evolueren snelle veranderingen in cryosfeersystemen (continentaal en oceaanijs) met het aardsysteem en dragen ze bij aan zeespiegelstijging en grotere kwetsbaarheid van de kust?

In de E3SM, alle modelcomponenten (sfeer, oceaan, land, ice) zijn in staat variabele resolutie te gebruiken om de rekenkracht te concentreren op fijnschalige processen in regio's van bijzonder belang. Dit wordt geïmplementeerd met behulp van geavanceerde mesh-ontwerpen die de rasterschaal soepel laten taps toelopen van het grovere buitenste gebied naar het meer verfijnde gebied.

Het E3SM-project omvat meer dan 100 wetenschappers en software-ingenieurs van meerdere DOE-laboratoria en verschillende universiteiten; de DOE-laboratoria omvatten Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Laurens Berkeley, Los Alamos, Eiken Ridge, Pacific Northwest en Sandia nationale laboratoria. Als erkenning voor het verenigen van de DOE-aardsysteemmodelleringsgemeenschap om gekoppelde simulaties met hoge resolutie uit te voeren, het uitvoerend comité van E3SM werd in 2015 bekroond met de Secretary of Energy's Achievement Award.

In aanvulling, het E3SM-project profiteert ook van programmatische samenwerkingen van DOE, waaronder het Exascale Computing Project (ECP) en programma's in Scientific Discovery via Advanced Computing (SciDAC), Ontwikkeling en validatie van klimaatmodellen (CMDV), Atmosferische stralingsmeting (ARM), Programma voor klimaatmodeldiagnose en -vergelijking (PCMDI), Internationaal Land Model Benchmarking Project (iLAMB), Community Earth System Model (CESM) en Next Generation Ecosystem Experiments (NGEE) voor het noordpoolgebied en de tropen.