SimEarth

Jorden - med dens utallige skiftende atmosfæriske, oceanisk, land- og iskomponenter - præsenterer et ekstraordinært komplekst system til simulering ved hjælp af computermodeller.

Men et nyt jordmodelleringssystem, Energy Exascale Earth System Model (E3SM), er nu i stand til at fange og simulere alle disse komponenter sammen. Udgivet den 23. april, efter fire års udvikling, E3SM har vejrskalaopløsning-dvs. nok detaljer til at fange fronter, storme og orkaner - og bruger avancerede computere til at simulere aspekter af Jordens variation. Systemet kan hjælpe forskere med at forudse ændringer i dekalskala, der kan påvirke den amerikanske energisektor i de kommende år.

"Med dette nye system, vi vil mere realistisk kunne simulere nutiden, hvilket giver os mere tillid til at simulere fremtiden, "siger David Bader, beregningsforsker ved Lawrence Livermore National Laboratory og overordnet E3SM -projektleder.

E3SM -projektet understøttes af US Department of Energy's (DOE) Office of Biological and Environmental Research. "Et af E3SM's formål er at hjælpe med at sikre, at DOE's klimamission kan opfyldes - herunder om fremtidige exascale -systemer, "sagde Robert Jacob, en beregningsmæssig klimaforsker i afdelingen Environmental Science i DOE's Argonne National Laboratory og en af ​​15 projektledere.

For at støtte denne mission, projektets mål er at udvikle en jordsystemmodel, der øger forudsigelsessikkerheden. Dette mål har historisk været begrænset af begrænsninger i computingsteknologier og usikkerheder i teori og observationer. Forbedring af forudsigelsessikkerhed kræver fremskridt på to grænser:(1) forbedret simulering af jordsystemprocesser ved at udvikle nye modeller af fysiske processer, forøgelse af modelopløsning og forbedring af beregningsydelse; og (2) mere realistisk at repræsentere tovejsinteraktionerne mellem menneskelige aktiviteter og naturlige processer, især når disse interaktioner påvirker amerikanske energibehov.

"Denne model tilføjer en meget mere fuldstændig repræsentation mellem interaktioner mellem energisystemet og jordsystemet, "sagde David Bader, en beregningsforsker ved Lawrence Livermore National Laboratory og overordnet E3SM -projektleder. "Med dette nye system, vi vil mere realistisk kunne simulere nutiden, hvilket giver os mere tillid til at simulere fremtiden. "

Den lange udsigt

Simulering af Jorden indebærer løsning af tilnærmelser til fysisk, kemiske og biologiske styrende ligninger på rumlige gitre ved de højest mulige opløsninger.

Faktisk, at øge antallet af jordsystemdage, der er simuleret pr. dag med computetid ved forskellige opløsningsniveauer, er så vigtigt, at det er en forudsætning for at nå E3SM-projektmålet. Den nye udgivelse kan simulere 10 års jordsystem på en dag ved lav opløsning eller et år med jordsystemet i høj opløsning på en dag (en prøvefilm er tilgængelig på projektets websted). Målet er, at E3SM skal understøtte simulering af fem års jordsystem på en enkelt computerdag med sin højest mulige opløsning inden 2021.

Dette mål understreger projektets store vægt på både ydeevne og infrastruktur - to vigtige styrkeområder for Argonne. "Vores forskere har været aktive med at sikre, at modellen fungerer godt med mange tråde, "sagde Jacob, hvem vil lede infrastrukturgruppen i fase II, som - med E3SMs første udgivelse - starter den 1. juli. Udpeger trådkompetencen fra performance engineer Azamat Mametjanov fra Argonnes afdeling for matematik og datalogi, Jacob fortsatte:"Vi har kørt og testet Theta, vores nye 10-petaflop-system på Argonnes Leadership Computing Facility, og vil udføre nogle af højopløsningsimuleringerne på den platform. "

Forskere, der bruger E3SM, kan anvende variabel opløsning på alle modelkomponenter (atmosfære, ocean, jord, is), giver dem mulighed for at fokusere computerkraften på finskala processer i forskellige regioner. Softwaren bruger avancerede mesh-designs, der jævnt formindsker gitterskalaen fra det grovere ydre område til det mere raffinerede område.

Tilpasning til exascale

E3SM's udviklere-mere end 100 forskere og softwareingeniører-har et langsigtet mål:at bruge de exascale-maskiner, som DOE Advanced Scientific Computing Research Office forventer at anskaffe i løbet af de næste fem år. Dermed, E3SM -udviklingen forløber i takt med Exascale Computing Initiative. (Exascale refererer til et computersystem, der er i stand til at udføre en milliard [10 ¹⁸ ] beregninger i sekundet-en tusind gange større ydelse end de mest avancerede computere fra et årti siden.)

Et andet centralt fokus vil være på software engineering, som omfatter alle processerne til udvikling af modellen; design af testene; og udvikling af den nødvendige infrastruktur, herunder input/output biblioteker og software til kobling af modellerne. E3SM bruger Argonnes Model Coupling Toolkit (MCT), ligesom andre førende klimamodeller (f.eks. Community Earth System Model [CESM]) for at koble atmosfæren, hav og andre submodeller. (En ny version af MCT [2.10] blev frigivet sammen med E3SM.)

Yderligere Argonne-specifikke bidrag i fase II vil fokusere på:

• Afgrødemodellering:Indsatsen vil fokusere på bedre efterlignende afgrøder som majs, hvede og sojabønner, som vil forbedre simuleret påvirkning af afgrøder på kulstof, næringsstof, energi- og vandcyklusser, samt at fange konsekvenserne af menneskelig-jord system interaktioner
• Støv og aerosoler:Disse spiller en stor rolle i atmosfæren, stråling og skyer, samt forskellige kemiske cyklusser.

Samarbejde mellem - og ud over - nationale laboratorier

E3SM -projektet har involveret forskere på flere DOE -laboratorier, herunder Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Pacific Northwest og Sandia nationale laboratorier, samt flere universiteter.

Projektet drager også fordel af samarbejde inden for DOE, herunder med Exascale Computing Project og programmer i Scientific Discovery via Advanced Computing, Udvikling og validering af klimamodeller, Måling af atmosfærisk stråling, Program for diagnostik og indbyrdes sammenligning af klimamodeller, Internationalt land model model benchmarking projekt, Community Earth System Model og næste generations økosystemforsøg for Arktis og troperne.