Un nuevo modelo de clima computacional integrado desarrollado para reducir las incertidumbres en las predicciones climáticas futuras marca el primer intento exitoso de unir los sistemas de la Tierra con energía y modelos económicos y datos de impacto humano a gran escala. Se está utilizando el Modelo del Sistema de la Tierra integrado, o iESM.para explorar las interacciones entre el sistema climático físico, los componentes biológicos del sistema de la Tierra y los sistemas humanos.
Al utilizar supercomputadoras como Titan, un gran equipo multidisciplinario de científicos dirigido por Peter Thornton del Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE tenía la potencia necesaria para integrar códigos masivos que combinan procesos físicos y biológicos enSistema terrestre con retroalimentación de la actividad humana.
"El modelo que desarrollamos y aplicamos combina retroalimentaciones biosféricas de los océanos, la atmósfera y la tierra con actividades humanas, como las emisiones de combustibles fósiles, la agricultura y el uso de la tierra, lo que elimina importantes fuentes de incertidumbre de los resultados climáticos proyectados", dijo Thornton,líder del grupo de Modelado de Sistemas Terrestres en la División de Ciencias Ambientales de ORNL y subdirector del Instituto de Ciencias del Cambio Climático de ORNL.
Titan es una máquina Cray XK7 de 27 petaflop con una arquitectura híbrida de CPU-GPU administrada por Oak Ridge Leadership Computing Facility OLCF, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE ubicada en ORNL.
A través del programa Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, el equipo de Thornton recibió 85 millones de horas de cómputo para mejorar el esfuerzo de Modelado Acelerado del Clima para la Energía ACME, un proyecto patrocinado por el programa de Modelado del Sistema Terrestre dentro de la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del DOEActualmente, los colaboradores de ACME se centran en desarrollar un modelo climático avanzado capaz de simular 80 años de variabilidad y cambio climático históricos y futuros en 3 semanas o menos de esfuerzo informático.
Ahora en su tercer año, el proyecto ha alcanzado varios hitos, en particular el desarrollo de la versión 1 de ACME y la inclusión exitosa de factores humanos en uno de sus modelos componentes, el iESM.
"Lo único de ACME es que está impulsando el sistema a una resolución más alta que la que se había intentado antes", dijo Thornton. "También está impulsando una capacidad de simulación más completa al incluir dimensiones humanas y otros avances, produciendo la Tierra más detalladamodelos del sistema hasta la fecha "
La conexión humana
Para informar a sus modelos del sistema de la Tierra, la comunidad de modelos climáticos tiene una larga historia de uso de modelos de evaluación integrados: marcos para describir el impacto de la humanidad en la Tierra, incluida la fuente de gases de efecto invernadero globales, el uso de la tierra y el cambio de la cubierta terrestre, y otros recursosrelacionados con el cambio climático antropogénico.
Hasta ahora, los investigadores no habían podido vincular directamente la actividad humana a gran escala con un modelo del sistema de la Tierra. De hecho, el novedoso iESM podría marcar una nueva era de modelos complejos e integrales que reduce la incertidumbre al incorporar retroalimentaciones inmediatas a las variables socioeconómicaspara predicciones más consistentes
El desarrollo de iESM comenzó antes de la iniciativa ACME cuando un equipo multilaboratorio tuvo como objetivo agregar nuevas dimensiones humanas, como la forma en que las personas afectan el planeta para producir y consumir energía, a los modelos del sistema de la Tierra. El modelo, ahora parte deel componente de dimensiones humanas de ACME: se está fusionando con ACME en preparación para la versión 2 de ACME
Junto con iESM, el equipo de ACME ha agregado mejoras a los componentes terrestres, atmosféricos y oceánicos de su código. Estos incluyen un marco más capaz para calcular el flujo cíclico de elementos químicos y compuestos como carbono, nitrógeno y agua en elEl nuevo modelo terrestre de ACME incluye un esquema de transporte reactivo totalmente acoplado para estos procesos biogeoquímicos. Esta capacidad proporcionará una conexión más consistente entre los componentes físicos térmicos e hidrológicos y biológicos de la simulación.
Quizás el avance más significativo, sin embargo, es la introducción del ciclo del fósforo al código. El fósforo es un nutriente esencial para la vida, se mueve del suelo y los sedimentos a las plantas y animales y viceversa. La versión 1 de ACME es el primer sistema global de la Tierramodelo que incluye esta dinámica.
Además de aumentar la resolución del modelo y, por lo tanto, estimar nuevos parámetros, el ajuste continuo y la optimización de ACME han acercado al equipo a alcanzar su objetivo de velocidad de simulación de 80 años en 3 semanas. Con los avances, elEl equipo ahora puede ejecutar aproximadamente 3 o 4 años simulados por día, aproximadamente el doble de la salida de versiones de código anteriores.
"El proyecto general de ACME no solo implica el desarrollo de estos modelos de alta resolución, sino también la optimización de su rendimiento en las plataformas informáticas de alto rendimiento que DOE tiene a su disposición, incluido Titan, para alcanzar nuestro objetivo de 5 años simulados por día", Dijo Thornton.
La mayor utilización de las GPU de Titan está ayudando al proyecto a alcanzar el siguiente nivel. Matthew Norman de la OLCF está trabajando con el equipo de Thornton para descargar varias partes de ACME a las GPU, que se destacan por ejecutar rápidamente cálculos repetitivos.
"ACME versión 2 debería hacer mucho más uso de las GPU para aumentar el rendimiento de la simulación, y hay otros proyectos que son esfuerzos derivados de ACME que apuntan a Summit [la próxima máquina de clase de liderazgo de la OLCF] y futuras plataformas exascale,"Dijo Norman.
El OLCF continúa ayudando al equipo con la gestión de datos a través del monitoreo avanzado y el soporte de herramientas de flujo de trabajo para ayudar a reducir la cantidad de tiempo que los investigadores necesitan para obtener resultados. El personal del OLCF, incluidos los enlaces Valentine Anantharaj y Norman, también están ayudando con varias tareas comodepuración, escalado y optimización de código.
"Los enlaces son cruciales para ayudarnos a entender dónde buscar problemas cuando surgen y obtener el mejor rendimiento de la supercomputadora Titan", dijo Thornton.
Para que iESM dé el siguiente paso, la representación de la superficie de la tierra entre los modelos acoplados debe ser más coherente. El equipo también tiene como objetivo incluir otras dimensiones, incluida la gestión y el almacenamiento del agua, la productividad agrícola y las estructuras de fijación de precios de los productos básicos. Esto rendirá mejorinformación sobre posibles cambios en la disponibilidad, asignación y escasez de recursos hídricos en diferentes climas.
"Estas mejoras son vitales ya que existe la preocupación de que los recursos de agua dulce puedan ser el punto crítico que se siente primero", dijo Thornton.
La versión 1 de ACME se lanzará públicamente a fines de 2017 para su análisis y uso por parte de otros investigadores. Los resultados del modelo también contribuirán al Proyecto de Intercomparación del Modelo Acoplado, que proporciona material fundamental para los informes de evaluación del cambio climático.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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