Titan-simuleringer viser vigtigheden af ​​tæt tovejskobling mellem menneske- og jordsystemer

En ny integreret beregningsmæssig klimamodel udviklet til at reducere usikkerheder i fremtidige klimaforudsigelser markerer det første vellykkede forsøg på at bygge bro over jordsystemer med energi- og økonomiske modeller og store menneskelige påvirkningsdata. Den integrerede jordsystemmodel, eller iESM, bliver brugt til at udforske interaktioner mellem det fysiske klimasystem, biologiske komponenter i jordsystemet, og menneskelige systemer.

Ved at bruge supercomputere som Titan, et stort tværfagligt team af forskere ledet af Peter Thornton fra US Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) havde den nødvendige kraft til at integrere massive koder, der kombinerer fysiske og biologiske processer i jordsystemet med feedback fra menneskelig aktivitet.

"Den model, vi udviklede og anvendte, kobler biosfæriske tilbagemeldinger fra havene, atmosfære, og land med menneskelige aktiviteter, såsom udledning af fossile brændstoffer, landbrug, og arealanvendelse, som eliminerer vigtige kilder til usikkerhed fra forventede klimaresultater, " sagde Thornton, leder af Terrestrial Systems Modeling-gruppen i ORNL's Environmental Sciences Division og vicedirektør for ORNL's Climate Change Science Institute.

Titan er en 27-petaflop Cray XK7-maskine med en hybrid CPU-GPU-arkitektur styret af Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility placeret på ORNL.

Gennem programmet Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, Thorntons team blev tildelt 85 millioner regnetimer for at forbedre indsatsen Accelerated Climate Modeling for Energy (ACME), et projekt sponsoreret af Earth System Modeling-programmet inden for DOE's Office of Biological and Environmental Research. I øjeblikket, ACME-samarbejdspartnere er fokuseret på at udvikle en avanceret klimamodel, der er i stand til at simulere 80 års historisk og fremtidig klimavariabilitet og -ændring på 3 uger eller mindre af computerindsats.

Nu på sit tredje år, projektet har opnået adskillige milepæle – især udviklingen af ​​ACME version 1 og den vellykkede inddragelse af menneskelige faktorer i en af ​​dets komponentmodeller, iESM.

"Det unikke ved ACME er, at det skubber systemet til en højere opløsning, end det er blevet forsøgt før, " sagde Thornton. "Det skubber også i retning af en mere omfattende simuleringsevne ved at inkludere menneskelige dimensioner og andre fremskridt, giver de mest detaljerede jordsystemmodeller til dato."

Den menneskelige forbindelse

For at informere om sine jordsystemmodeller, klimamodelleringssamfundet har en lang historie med at bruge integrerede vurderingsmodeller – rammer til at beskrive menneskehedens indvirkning på Jorden, herunder kilden til globale drivhusgasser, arealanvendelse og ændring af arealdækningen, og andre ressourcerelaterede drivkræfter bag menneskeskabte klimaændringer.

Indtil nu, forskere havde ikke været i stand til direkte at koble storstilet menneskelig aktivitet med en jordsystemmodel. Faktisk, den nye iESM kunne markere en ny æra af kompleks og omfattende modellering, der reducerer usikkerheden ved at inkorporere øjeblikkelig feedback til socioøkonomiske variabler for mere konsistente forudsigelser.

Udviklingen af ​​iESM startede før ACME-initiativet, da et multilaboratoriehold havde til formål at tilføje nye menneskelige dimensioner – såsom hvordan mennesker påvirker planeten til at producere og forbruge energi – til jordsystemmodeller. Modellen - nu en del af ACME's human dimensions-komponent - bliver fusioneret med ACME som forberedelse til ACME version 2.

Sammen med iESM, ACME-teamet har tilføjet forbedringer til landet, atmosfære, og havkomponenter af deres kode. Disse omfatter en mere dygtig ramme til at beregne den cykliske strøm af kemiske grundstoffer og forbindelser som kulstof, nitrogen, og vand i miljøet. Den nye ACME-landmodel inkluderer et fuldt koblet reaktivt transportsystem for disse biogeokemiske processer. Denne evne vil give en mere konsistent forbindelse mellem fysiske (termiske og hydrologiske) og biologiske komponenter i simuleringen.

Måske det vigtigste fremskridt, imidlertid, er introduktionen af ​​fosforkredsløbet til koden. Fosfor er et vigtigt næringsstof for livet, bevæger sig fra jord og sediment til planter og dyr og tilbage. ACME version 1 er den første globale jordsystemmodel, der inkluderer denne dynamik.

Ud over at øge modellens opløsning, og dermed estimere nye parametre, løbende tuning og optimering af ACME har bragt holdet tættere på at nå sit 80-år-i-3-ugers simuleringshastighedsmål. Med fremskridt, holdet kan nu køre omkring 3 eller 4 simulerede år om dagen, omkring det dobbelte af outputtet af tidligere kodeversioner.

"Det overordnede ACME-projekt involverer ikke kun udvikling af disse højopløsningsmodeller, men også optimering af deres ydeevne på højtydende computerplatforme, som DOE råder over – inklusive Titan – for at nå vores mål om 5 simulerede år om dagen, " sagde Thornton.

Øget udnyttelse af Titans GPU'er hjælper projektet med at nå det næste niveau. OLCF's Matthew Norman arbejder sammen med Thorntons team for at overlade forskellige dele af ACME til GPU'er, som udmærker sig ved hurtigt at udføre gentagne beregninger.

"ACME version 2 burde gøre meget mere brug af GPU'erne for at øge simuleringsydelsen, og der er andre projekter, der er spin-off-indsats ved hjælp af ACME, som er rettet mod Summit [OLCF's næste lederskabsmaskine] og fremtidige exascale platforme, " sagde Norman.

OLCF fortsætter med at hjælpe teamet med datastyring via avanceret overvågning og workflowværktøjssupport for at hjælpe med at reducere den tid, forskere har brug for for at få resultater. OLCF personale, herunder forbindelserne Valentine Anantharaj og Norman, hjælper også med forskellige opgaver såsom fejlretning, skalering, og optimering af kode.

"Forbindelserne er afgørende for at hjælpe os med at forstå, hvor vi skal lede efter problemer, når de opstår og få den bedste ydeevne ud af Titan-supercomputeren, " sagde Thornton.

For at iESM kan tage det næste skridt, repræsentationen af ​​landoverfladen mellem koblede modeller skal blive mere konsekvent. Teamet sigter også mod at inkludere andre dimensioner, herunder vandforvaltning og opbevaring, landbrugets produktivitet, og råvareprisstrukturer. Dette vil give bedre information om potentielle ændringer i vandressourcetilgængeligheden, tildeling, og mangel under forskellige klimaer.

"Disse forbedringer er afgørende, da der er bekymring for, at ferskvandsressourcer kan være det knivspids, der mærkes først, " sagde Thornton.

ACME version 1 vil blive offentliggjort i slutningen af ​​2017 til analyse og brug af andre forskere. Resultater fra modellen vil også bidrage til Coupled Model Intercomparison Project, som giver grundlæggende materiale til klimaændringsvurderingsrapporter.