Las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida harán una contribución dominante al aumento del nivel del mar en el siglo XXI si continúan las tendencias climáticas actuales. Sin embargo, predecir la pérdida esperada de masa de la capa de hielo es difícil debido a la complejidad de modelar el comportamiento de la capa de hielo.
Para comprender mejor esta pérdida, un equipo de investigadores de Sandia National Laboratories ha estado mejorando la confiabilidad y la eficiencia de los modelos computacionales que describen el comportamiento y la dinámica de la capa de hielo. El equipo incluye a los investigadores Irina Demeshko, Mike Eldred, John Jakeman, Mauro Perego, AndySalinger, Irina Tezaur y Ray Tuminaro.
Esta investigación es parte de un proyecto de cinco años llamado Predicción de la capa de hielo y la evolución del clima a escalas extremas PISCEES, financiado por el programa Descubrimiento científico a través de la informática avanzada SciDAC del Departamento de Energía de EE. UU.-lab, esfuerzo multiuniversitario que incluye investigadores de los laboratorios nacionales Sandia, Los Alamos, Lawrence Berkeley y Oak Ridge, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad Estatal de Florida, la Universidad de Bristol, la Universidad de Texas Austin, la Universidad de Carolina del Sury la Universidad de Nueva York.
La mayor contribución de Sandia a PISCEES ha sido una herramienta de análisis, un solucionador de hielo terrestre llamado Albany / FELIX Elementos finitos para experimentos de hielo terrestre. La herramienta se basa en ecuaciones que simulan el flujo de hielo sobre las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida y esacoplado a modelos de la Tierra a través del proyecto Clima Acelerado para la Energía ACME.
"Uno de los objetivos de PISCEES es crear un solucionador de hielo terrestre que sea escalable, rápido y robusto a escalas continentales", dijo la científica computacional Irina Tezaur, desarrolladora líder de Albany / FELIX. El nuevo solucionador no solo necesitabapara ser confiable y eficiente, pero era fundamental que el equipo desarrollara un solucionador equipado con capacidades de análisis avanzadas y de próxima generación.
Tezaur dijo que el equipo necesita ejecutar el solucionador en computadoras nuevas y emergentes. También deben poder calibrar modelos y cuantificar las incertidumbres en el aumento esperado del nivel del mar.
"Los datos que obtenemos de los científicos del clima son generalmente mediciones de la superficie superior del hielo", dijo. "Para iniciar una simulación de la capa de hielo, necesitamos información sobre lo que está sucediendo dentro y en el fondo del hielo. DeterminaciónLas propiedades del hielo interior y del lecho de roca es lo que llamamos calibración del modelo, y requiere la solución de un problema inverso. Gran parte de nuestro trabajo ha consistido en desarrollar e implementar algoritmos de optimización que sean capaces de resolver estos problemas inversos de manera robusta y eficiente ".
Tezaur enfatiza que el éxito de PISCEES se debe en gran parte a las fuertes colaboraciones entre glaciólogos, modeladores climáticos, científicos computacionales y matemáticos.
"Los glaciólogos y científicos climáticos colaboradores de PISCEES nos proporcionan conjuntos de datos para incluir en nuestro modelo, mientras que los científicos computacionales idean los algoritmos adecuados para usarlos e implementarlos de manera eficiente", explica.
Mejora del modelado computacional
El proyecto PISCEES comenzó en 2012 porque no existía un modelo sólido de hielo terrestre como componente básico para los modelos del sistema terrestre que calculan las predicciones del aumento del nivel del mar para respaldar las misiones climáticas del DOE.
El solucionador Albany / FELIX de Sandia incluye capacidades avanzadas y proporciona mayor robustez, escalabilidad y velocidad, dijo Tezaur.
"En solo tres años de trabajo, hemos creado un modelo de hielo terrestre de próxima generación que es verificado, escalable y robusto y portátil para máquinas de arquitectura nueva y emergente", dijo Tezaur. "Estos modelos están equipados con capacidades de análisis avanzadas. "
El solucionador de Albany / FELIX se escribió utilizando la llamada estrategia de desarrollo de software "basada en componentes", un enfoque ideado por los científicos computacionales de Sandia en el que los nuevos códigos de aplicación se escriben utilizando bibliotecas modulares maduras. Los nuevos solucionadores creados con este enfoque son "nacido "escalable: rápido, robusto y capaz de análisis avanzado, ya que se basan en una colección de algoritmos desarrollados y probados por expertos en el dominio.
Los componentes que componen Albany / FELIX son las bibliotecas de Trilinos, una colección de paquetes de código abierto desarrollados por Sandia. Además de recomendar y ejecutar la estrategia de desarrollo de código basado en componentes, los investigadores de Sandia han desarrollado enfoques para mejorar la solidez de losEl código Albany / FELIX ha demostrado escalabilidad hasta mil millones de incógnitas y decenas de miles de núcleos gracias a los solucionadores lineales iterativos escalables en paralelo y los métodos de preacondicionamiento recientemente desarrollados por Tuminaro. Los algoritmos de inversión determinista basados en adjuntos y el software desarrollado e implementado por Perego hanpermitió una rigurosa calibración del modelo. En colaboración con expertos del instituto QUEST SciDAC, Eldred y Jakeman, se ha desarrollado un marco para la cuantificación de la incertidumbre UQ directa e inversa. Por último, Albany / FELIX se ha hecho portátil a máquinas de nueva arquitectura gracias en gran medidaparte de los esfuerzos de la científica informática Irina Demeshko.
la verificación y validación son importantes
Si bien el rendimiento del código es fundamental para el éxito de Albany / FELIX, igualmente importantes son la verificación y la validación, dos procedimientos para evaluar un modelo y su código. La verificación determina que un código está libre de errores. Por el contrario, la validación busca verificar queel proceso físico descrito por un modelo es consistente con lo que se ve en el mundo real.
Sandia ha realizado una verificación exhaustiva del solucionador Albany / FELIX utilizando el método de soluciones fabricadas, comparaciones de código a código en puntos de referencia canónicos de hielo terrestre y realizando estudios de convergencia en paisajes realistas de Groenlandia y la Antártida con datos reales, dijo Tezaur.
Tezaur explica que, en general, la validación es mucho más difícil de hacer que la verificación. El grado en que los modelos de capa de hielo han sido validados por observaciones es bastante limitado, debido en parte a la duración limitada de la era de observación satelital y el largo ajusteescalas de tiempo de las capas de hielo. El equipo de PISCEES ha comprobado que su solucionador predice las cantidades de las capas de hielo, como las velocidades de la superficie, el balance de masa de la superficie y que estas cantidades son consistentes con las observaciones pasadas y recientes.
"Estamos en el proceso de realizar un estudio de validación para la capa de hielo de Groenlandia para el período 1991-2012", dijo Tezaur. "El resultado del modelo de la capa de hielo se comparará con la elevación de la superficie del hielo y las observaciones del cambio de masa de la capa de hielo de ICESaty IceSat 2, el satélite de elevación de hielo, nubes y tierra ".
Los primeros resultados son prometedores para evaluar el rendimiento de diferentes configuraciones de modelos. Los colaboradores de PISCEES en Oak Ridge están desarrollando un conjunto de pruebas de verificación y validación, conocido como Land Ice Validation and Verification Kit, que va de la mano conlos esfuerzos en Sandia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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