Globální klimatické modely zacházejí se Zemí jako s obří mřížkou

11/04/2024 Iveta Mauci 0 komentářů 4 min read 120 Zobrazení klíma, počasí, počítačové simulace

Na pláži se vlny oceánu starají o uklidňující bílý šum. Ve vědeckých laboratořích však hrají klíčovou roli při předpovědi počasí a výzkumu klimatu. Spolu s atmosférou je oceán obvykle jednou z největších a výpočetně nejnáročnějších složek modelů zemského systému, jako je například Energy Exascale Earth System Model (E3SM) ministerstva energetiky.

Většina nových modelů oceánů se zaměřuje na dvě kategorie vln: barotropický systém, který se vyznačuje rychlým šířením vln a baroklinický systém, který se vyznačuje pomalým šířením vln. Aby pomohl řešit problém simulace těchto dvou režimů současně, vyvinul tým z národních laboratoří DOE v Oak Ridge, Los Alamos a Sandia nový algoritmus řešení, který zkracuje celkovou dobu běhu modelu MPAS-Ocean, modelu oceánské cirkulace E3SM, o 45 %.

Výzkumníci testovali svůj software na superpočítači Summit v zařízení ORNL Výpočetní zařízení Oak Ridge Leadership, uživatelském zařízení DOE Úřad pro vědu, a na superpočítači Národní laboratoře v Pacific Northwest. Primární simulace prováděli na superpočítačích Cori a Perlmutter v Národním vědeckém výpočetním středisku pro výzkum energie v Národní laboratoři Lawrence Berkeleyho a jejich výsledky byly publikovány v časopise International Journal of High Performance Computing Applications (Mezinárodní časopis pro aplikace vysoce výkonných počítačů).

Nový řešič pro barotropní systém je semiimplicitní, což znamená, že je bezpodmínečně stabilní a umožňuje tak výzkumníkům používat stejný počet velkých časových kroků bez obětování přesnosti, což šetří značné množství času a výpočetního výkonu.

Modely zemského systému a klimatické modely jsou komplexní integrací environmentálních proměnných používaných k pochopení naší planety. Modely zemského systému simulují, jak chemie, biologie a fyzikální síly spolupracují. Tyto modely jsou podobné, ale mnohem komplexnější než modely globálního klimatu.

Abychom porozuměli modelům zemského systému, pomůže nám nejprve porozumět globálním klimatickým modelům. Klima je dlouhodobý vzorec proměnných počasí. Zahrnuje teplotu, déšť a sněžení, vlhkost, sluneční světlo a vítr a jak k nim dochází po mnoho let. Klimatické modely vysvětlují, jak se tyto proměnné mohou měnit, pomocí matematické analýzy založené na fyzice pohybu energie, plynů a tekutin v kombinaci s měřeními získanými z experimentů, laboratoří a dalších pozorování v reálném světě.

Mezi klimatické modely patří:

Atmosféra včetně mraků, aerosolů a plynů.
Povrch země a jak je pokryt vegetací, sněhem a ledem, jezery a řekami a půdou.
Mořský led a oceány.
Jak všechny tyto složky ukládají a přenášejí teplo a uhlík, které ohřívají zemskou atmosféru.

Globální klimatické modely zacházejí se Zemí jako s obří mřížkou. Velikost každé buňky v mřížce je určena výkonem počítače, na kterém je model spuštěn. Stejně jako videohra vyžaduje vyšší rozlišení mnohem výkonnější počítač.

Komunita softwarových vývojářů strávila roky optimalizací různých klimatických aplikací v Trilinos a Fortrilinos, takže nejnovější řešič MPAS-Ocean, který využívá tento zdroj, překonává ručně vytvořený řešič, což umožňuje dalším vědcům urychlit jejich úsilí v oblasti výzkumu klimatu.

„Kdybychom museli individuálně kódovat každý algoritmus, vyžadovalo by to mnohem více úsilí a odborných znalostí,“ řekl Kang. „Ale s tímto softwarem můžeme okamžitě spouštět simulace vyšší rychlostí tím, že do našeho programu začleníme optimalizované algoritmy.“

Ačkoli má současný řešič stále omezení škálovatelnosti na vysoce výkonných výpočetních systémech, funguje výjimečně dobře až do určitého počtu procesorů. Tato nevýhoda existuje, protože semiimplicitní metoda vyžaduje, aby všechny procesory spolu komunikovaly alespoň 10krát za časový krok, což může zpomalit výkon modelu. Aby vědci tuto překážku překonali, v současné době optimalizují komunikaci procesoru a portují řešič na GPU.

Kromě toho tým aktualizoval metodu časového krokování pro baroklinický systém, aby dále zlepšil efektivitu MPAS-Ocean. Prostřednictvím těchto pokroků se výzkumníci zaměřují na rychlejší, spolehlivější a přesnější předpovědi klimatu, což jsou zásadní vylepšení pro zajištění bezpečnosti klimatu a umožňující včasné rozhodování a projekce s vysokým rozlišením.

„Rozsáhlé využívání výpočetních zdrojů vyžaduje obrovské množství elektřiny a energie, ale urychlením tohoto modelu můžeme snížit spotřebu energie, zlepšit simulace a snadněji předvídat dopady změny klimatu na desetiletí nebo dokonce tisíce let do budoucnosti.“

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS a vědecké studie publikované v Journals sage pub.

Napsat komentář