De aarde - met zijn talloze verschuivende atmosferische, oceanisch, land- en ijscomponenten - presenteert een buitengewoon complex systeem om te simuleren met behulp van computermodellen.

Maar een nieuw aardemodelleringssysteem, het Energy Exascale Earth System Model (E3SM), is nu in staat om al deze componenten samen vast te leggen en te simuleren. Uitgebracht op 23 april, na vier jaar ontwikkeling, E3SM biedt resolutie op weerschaal, d.w.z. genoeg detail om fronten vast te leggen, stormen en orkanen — en maakt gebruik van geavanceerde computers om aspecten van de variabiliteit van de aarde te simuleren. Het systeem kan onderzoekers helpen te anticiperen op veranderingen op tienjarige schaal die de komende jaren van invloed kunnen zijn op de Amerikaanse energiesector.

“Met dit nieuwe systeem kunnen we het heden realistischer simuleren, wat ons meer vertrouwen geeft om de toekomst te simuleren, " zegt David Bader, computationeel wetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory en algemeen E3SM-projectleider.

Het E3SM-project wordt ondersteund door het Office of Biological and Environmental Research van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "Een van de doelen van E3SM is om ervoor te zorgen dat de klimaatmissie van DOE kan worden bereikt - ook op toekomstige exaschaalsystemen, " zei Robert Jacob, een computationele klimaatwetenschapper in de Environmental Science-divisie van DOE's Argonne National Laboratory en een van de 15 co-projectleiders.

Om deze missie te ondersteunen, het doel van het project is om een ​​aardsysteemmodel te ontwikkelen dat de betrouwbaarheid van voorspellingen verhoogt. Deze doelstelling is in het verleden beperkt geweest door beperkingen in computertechnologieën en onzekerheden in theorie en waarnemingen. Het verbeteren van de betrouwbaarheid van voorspellingen vereist vooruitgang op twee fronten:(1) verbeterde simulatie van aardse systeemprocessen door nieuwe modellen van fysieke processen te ontwikkelen, het verhogen van de modelresolutie en het verbeteren van de rekenprestaties; en (2) de wederzijdse interacties tussen menselijke activiteiten en natuurlijke processen realistischer weer te geven, vooral waar deze interacties de Amerikaanse energiebehoeften beïnvloeden.

"Dit model voegt een veel completere weergave toe tussen interacties van het energiesysteem en het aardesysteem, " zei David Bader, een computationele wetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory en algemeen E3SM-projectleider. “Met dit nieuwe systeem kunnen we het heden realistischer simuleren, wat ons meer vertrouwen geeft om de toekomst te simuleren."

Het lange uitzicht

Het simuleren van de aarde omvat het oplossen van benaderingen van fysieke, chemische en biologische heersende vergelijkingen op ruimtelijke rasters met de hoogst mogelijke resoluties.

In feite, het verhogen van het aantal gesimuleerde aardsysteemdagen per dag rekentijd op verschillende resolutieniveaus is zo belangrijk dat het een voorwaarde is om het E3SM-projectdoel te bereiken. De nieuwe release kan 10 jaar van het aardsysteem in één dag simuleren met een lage resolutie of één jaar van het aardsysteem met hoge resolutie in één dag (een voorbeeldfilm is beschikbaar op de projectwebsite). Het doel is dat E3SM tegen 2021 de simulatie van vijf jaar van het aardsysteem op een enkele computerdag met de hoogst mogelijke resolutie ondersteunt.

Deze doelstelling onderstreept de sterke nadruk van het project op zowel prestaties als infrastructuur - twee belangrijke sterke punten voor Argonne. "Onze onderzoekers hebben ervoor gezorgd dat het model goed presteert met veel threads, " zei Jakob, die de infrastructuurgroep in fase II zal leiden, die - met de eerste release van E3SM - op 1 juli begint. De threading-expertise van prestatie-ingenieur Azamat Mametjanov van Argonne's Mathematics and Computer Science-divisie, Jacob vervolgde:"We hebben op Theta gelopen en getest, ons nieuwe 10-petaflop-systeem bij Argonne's Leadership Computing Facility, en zal enkele van de simulaties met hoge resolutie op dat platform uitvoeren."

Onderzoekers die de E3SM gebruiken, kunnen variabele resolutie toepassen op alle modelcomponenten (atmosfeer, oceaan, land, ijs), waardoor ze de rekenkracht kunnen richten op fijnmazige processen in verschillende regio's. De software maakt gebruik van geavanceerde mesh-ontwerpen die de rasterschaal van het grovere buitenste gebied naar het meer verfijnde gebied soepel laten lopen.

Aanpassen voor exascale

De ontwikkelaars van E3SM - meer dan 100 wetenschappers en software-ingenieurs - hebben een doel voor de langere termijn:de exascale-machines gebruiken die het DOE Advanced Scientific Computing Research Office verwacht te kopen in de komende vijf jaar. Dus, De ontwikkeling van E3SM verloopt samen met het Exascale Computing Initiative. (Exascale verwijst naar een computersysteem dat in staat is om een ​​miljard [10 ¹⁸ ] berekeningen per seconde - een duizendvoudige toename van de prestaties ten opzichte van de meest geavanceerde computers van tien jaar geleden.)

Een andere belangrijke focus zal liggen op software-engineering, die alle processen omvat voor het ontwikkelen van het model; het ontwerpen van de testen; en het ontwikkelen van de benodigde infrastructuur, inclusief input/output bibliotheken en software voor het koppelen van de modellen. E3SM gebruikt Argonne's Model Coupling Toolkit (MCT), net als andere toonaangevende klimaatmodellen (bijv. Community Earth System Model [CESM]) om de atmosfeer te koppelen, oceaan en andere submodellen. (Er is samen met E3SM een nieuwe versie van MCT [2.10] uitgebracht.)

Bijkomende Argonne-specifieke bijdragen in Fase II zullen gericht zijn op:

• Gewasmodellering:de inspanningen zullen gericht zijn op het beter nabootsen van gewassen zoals maïs, tarwe en sojabonen, die de gesimuleerde invloeden van gewassen op koolstof zullen verbeteren, voedingsstof, energie- en waterkringlopen, evenals het vastleggen van de implicaties van interacties tussen mens en aarde
• Stof en aerosolen:deze spelen een grote rol in de atmosfeer, straling en wolken, evenals verschillende chemische cycli.

Samenwerking tussen - en buiten - nationale laboratoria

Bij het E3SM-project zijn onderzoekers betrokken van meerdere DOE-laboratoria, waaronder Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Laurens Berkeley, Los Alamos, Eiken Ridge, Pacific Northwest en Sandia nationale laboratoria, evenals verschillende universiteiten.

Het project profiteert ook van de samenwerking binnen DOE, inclusief met het Exascale Computing Project en programma's in Scientific Discovery via Advanced Computing, Ontwikkeling en validatie van klimaatmodellen, Atmosferische stralingsmeting, Programma voor klimaatmodeldiagnose en onderlinge vergelijking, Internationaal landmodelbenchmarkingsproject, Community Earth System Model en next-generation ecosysteemexperimenten voor het noordpoolgebied en de tropen.