Supercomputing-fremskridt vil forbedre analysen af ​​jordens systemvariabilitet og energisektorens behov

Et nyt jordmodelleringssystem, der afsløres i dag, vil have opløsning i vejrskala og bruge avancerede computere til at simulere aspekter af Jordens variation og forudse årtiers ændringer, der vil have en kritisk indvirkning på den amerikanske energisektor i de kommende år.

"Denne multilaboratorieindsats vil være et stort fremskridt i vores i forvejen vigtige muligheder for modellering af jordsystemer og energirelateret analyse, " sagde John Sarrao, Direktør for videnskab, Teknologi og teknik ved Los Alamos National Laboratory. "Vores laboratorium, sammen med vores søsterinstitutioner, har ydet betydelige bidrag til modellering af jordsystemer i de foregående årtier, men dette seneste bidrag tager vores arbejde til et helt nyt niveau."

Efter fire års udvikling, Energy Exascale Earth System Model (E3SM) frigives til det bredere videnskabelige samfund i denne måned. E3SM -projektet understøttes af Department of Energy's Office of Science i Biologisk og Miljøforskningskontoret. E3SM-udgivelsen vil omfatte modelkode og dokumentation, samt output fra et indledende sæt benchmark-simuleringer.

Jorden, med dens utallige vekselvirkninger af atmosfære, oceaner, jord- og iskomponenter, præsenterer et ekstraordinært komplekst system til undersøgelse. Jord-system simulering involverer løsning af tilnærmelser af fysiske, kemiske og biologiske styrende ligninger på rumlige gitre ved opløsninger, der er lige så fine i skala, som beregningsressourcer tillader.

"E3SM er den første end-to-end multi-skala jordsystem model, hvilket betyder, at vi kan fokusere modelopløsning og computerressourcer mod specifikke steder for at hjælpe med at besvare specifikke spørgsmål, der er vigtige for DOE, "sagde forsker Steve Price fra Los Alamos." For eksempel, Los Alamos bruger E3SM med fokuseret opløsning omkring Antarktis for at forbedre modelleringen af, hvordan havvand smelter ishylder – den kritiske proces, der styrer sandsynligheden for en brat stigning i havniveauet."

E3SM-projektet vil pålideligt simulere aspekter af jordens systemvariabilitet og projektere årtiers ændringer, som vil have en kritisk indvirkning på den amerikanske energisektor i den nærmeste fremtid. Disse kritiske faktorer omfatter a) regionale luft-/vandtemperaturer, som kan belaste energinet; b) tilgængelighed af vand, som påvirker kraftværksdriften; c) ekstreme vandcyklushændelser (f.eks. oversvømmelser og tørke) som påvirker infrastruktur og bioenergi; og d) stigning i havniveau og kystoversvømmelser, der truer kystinfrastrukturen.

"Der er ingen mangel på vigtige problemer, som vi kan tackle med denne nye modelleringsevne, "sagde Todd Ringler, også af Los Alamos. "Tag Arktis, for eksempel. Det ændrer sig hurtigt – og det giver nye muligheder og nye sikkerhedsrisici. Denne nye modelleringsevne – især de nye tilgange, som vi udviklede til hav- og havissystemerne – vil være afgørende for at forudsige hvordan, hvornår og hvorfor i det skiftende Arktis."

Målet med projektet er at udvikle en jordsystemmodel (ESM), som ikke har været mulig på grund af begrænsninger i nuværende computerteknologier. For at nå dette mål vil det kræve fremskridt på tre grænser:

1. bedre løsning af jordsystemprocesser gennem en strategisk kombination af udvikling af nye processer i modellen, øget modelopløsning og forbedret beregningsmæssig ydeevne;
2. mere realistisk repræsenterer tovejsinteraktionerne mellem menneskelige aktiviteter og naturlige processer, især hvor disse interaktioner påvirker USA's energibehov; og
3. ensemble -modellering for at kvantificere usikkerhed ved modelsimuleringer og fremskrivninger.

"Kvaliteten og kvantiteten af ​​observationer får os virkelig til at begrænse modellerne, " sagde David Bader, Lawrence Livermore National Laboratory forsker og leder af E3SM -projektet. "Med det nye system, vi vil være i stand til mere realistisk at simulere nutiden, hvilket giver os mere tillid til at simulere fremtiden. "

Simulering af atmosfærisk og oceanisk væskedynamik med fin rumlig opløsning er især udfordrende for ESM'er. E3SM-projektet er placeret på forkant med denne forskningsudfordring, handler på vegne af en international ESM -indsats. Forøgelse af antallet af jordsystemdage, der simuleres pr. Dag af computetid, er en forudsætning for at nå E3SM-projektmålet. Det er også vigtigt for E3SM effektivt at bruge de forskellige computerarkitekturer, som DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Office anskaffer for at være forberedt på den usikre fremtid for næste generations maskiner.

Et langsigtet mål med E3SM-projektet er at bruge exascale-maskiner, der skal indkøbes over de næste fem år. Udviklingen af ​​E3SM forløber i takt med Exascale Computing Initiative (ECI). (En exascale refererer til et computersystem, der er i stand til at udføre en milliard milliarder (109 x 109 =1018) beregninger pr. Sekund. Dette repræsenterer en tusind gange større ydelse i forhold til de mest avancerede computere fra et årti siden).

"Vi er særligt interesserede i at vurdere risikoen for en brat havvandsstigning nøjagtigt, sige mere end 3 fod, engang i løbet af dette århundrede, "sagde Ringler." For at opnå dette, Los Alamos konstruerede helt nye computermodeller af havet, landis- og havis-systemer-dette er en kæmpe præstation af Los Alamos-modelleringsteamet. "

"Denne model tilføjer en meget mere komplet repræsentation mellem interaktioner mellem energisystemet og jordsystemet, " sagde Bader. "Forøgelsen i computerkraft giver os mulighed for at tilføje flere detaljer til processer og interaktioner, der resulterer i mere nøjagtige og nyttige simuleringer end tidligere modeller."

For at imødegå de forskellige kritiske faktorer, der påvirker den amerikanske energisektor, E3SM -projektet er dedikeret til at besvare tre overordnede videnskabelige spørgsmål, der driver dets numeriske eksperimenteringsinitiativer:

• Vandets kredsløb:Hvordan interagerer det hydrologiske kredsløb med resten af ​​menneske-Jord-systemet på lokal til global skala for at bestemme vandtilgængelighed og ekstreme vandkredsløb?
• Biogeokemi:Hvordan interagerer biogeokemiske cyklusser med andre jordsystemkomponenter for at påvirke energisektoren?
• Kryosfæresystemer:Hvordan udvikler hurtige ændringer i kryosfære (kontinentale og havis) systemer sig med Jordsystemet og bidrager til havstigning og øget sårbarhed ved kysten?

I E3SM, alle modelkomponenter (atmosfære, ocean, jord, ice) er i stand til at anvende variabel opløsning til at fokusere computerkraft på finskala processer i regioner af særlig interesse. Dette er implementeret ved hjælp af avancerede mesh-designs, der jævnt tilspidser gitterskalaen fra det grovere ydre område til det mere raffinerede område.

E3SM-projektet omfatter mere end 100 videnskabsmænd og softwareingeniører ved flere DOE-laboratorier samt adskillige universiteter; DOE-laboratorierne inkluderer Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Pacific Northwest og Sandia nationale laboratorier. Som anerkendelse af at forene DOE-jordsystemmodelleringsfællesskabet for at udføre højopløselige koblede simuleringer, E3SM's eksekutivkomité blev tildelt Energiministerens præstationspris i 2015.

Ud over, E3SM-projektet drager også fordel af DOE programmatiske samarbejder, herunder Exascale Computing Project (ECP) og programmer i Scientific Discovery gennem Advanced Computing (SciDAC), Udvikling og validering af klimamodel (CMDV), Atmosfærisk strålingsmåling (ARM), Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison (PCMDI), International Land Model Benchmarking Project (iLAMB), Community Earth System Model (CESM) og Next Generation Ecosystem Experimenter (NGEE) for Arktis og troperne.