Sådan passer du en planet inde i en computer - udvikling af energi exascale jordsystemmodellen

Jorden var tilsyneladende ved at miste vand.

Ruby Leung, en videnskabsmand fra Department of Energy's (DOE) Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), og hendes hold var forbløffet over deres resultater.

"Vi så havniveauet falde med en alarmerende hastighed, " hun sagde.

Heldigvis, de så kun på en virtuel Jord. De indså hurtigt, at der var fejl i jordsystemets computermodel, de var ved at udvikle. Forskere bruger disse computerprogrammer til at visualisere nutiden og se ind i fremtiden. De skal komme så tæt som muligt på at modellere, hvordan Jordens systemer fungerer i det virkelige liv. Fordi den rigtige Jord kredser vand, men aldrig mister det, det skal modellen heller ikke.

Det var nemt at identificere problemet. At fikse det var det ikke. Der er hundredvis af variabler i modellen, der kan påvirke dens vandkredsløb. At udpege den nøjagtige og ændre den uden at skabe endnu en unøjagtighed kan tage timer eller dages arbejde. I dette tilfælde, modellen sendte ikke alle vandafstrømningene fra landet ud i havet. Ud over, den atmosfæriske model mistede en meget lille mængde vand ved hvert tidstrin, hvilket lagde meget op. For at løse problemet, Leung og kolleger ændrede modellen for at spare på vandet.

At løse dette problem var blot en af ​​de mange udfordringer, som holdet stod over for, da de udviklede DOEs nye software:Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Ved at repræsentere mange af Jordens systemer og interaktioner mere detaljeret end nogensinde før, de håber at hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå vores planet i dag og i fremtiden.

Forståelse af en jord i forandring

Jorden har altid været og vil altid være i forandring. Men menneskelige aktiviteter fremskynder disse ændringer, og der er generel enighed om, at de globale temperaturer stiger. Mens videnskabsmænd i store træk kan forudsige, hvordan stigende temperaturer vil påvirke vores verden, Politikere og planlæggere skal forstå, hvad der vil ske med de enkelte byer og stater. Det er her, jordsystemmodeller kommer i spil.

DOE er interesseret i at forstå, hvordan energiproduktion kan påvirke Jordens systemer og omvendt. Mens energiproduktion kan fremskynde klimaændringer, stigende temperaturer kan også påvirke energiproduktion og -forbrug. En mangel på vand kan reducere et vandkraftværks produktion eller begrænse det tilgængelige vand til afkøling af atomkraftværker.

"DOE og dets forgængere har altid haft en mission om at forstå de miljømæssige konsekvenser af energiproduktion og brug, " sagde David Bader, en videnskabsmand ved DOE's Lawrence Livermore National Laboratory og E3SM-teamleder. "Vi ved, at klima- og jordsystemet ikke er stationært. Det ændrer sig. Vi har brug for en måde at forstå vekselvirkningerne på."

Omfanget af jordsystemmodeller gør dem unikke. Forskere konstruerer en række softwareprogrammer til at simulere forskellige naturlige systemer, men jordsystemmodeller bringer dem alle sammen. De demonstrerer, hvordan disse individuelle systemer – atmosfæren, jord, ocean, iskapper, og mere - interagere. De inkorporerer også mange aspekter af menneskelig aktivitet, såsom produkter fra energiproduktion, vandforvaltning og brug, og landbrugsforvaltning samt andre ændringer i arealanvendelse eller arealdækning.

Disse kombinationer hjælper videnskabsmænd med at forstå det nuværende og fremtidige samspil mellem den naturlige verden og menneskelige aktiviteter. For at sikre, at en model repræsenterer nutiden korrekt, de sammenligner modellerede resultater med observationer fra det virkelige liv. Forudsigelserne, der ser årtier ud i fremtiden, hjælper folk, der planlægger broer eller kraftværker, til at forstå, hvordan deres langsigtede valg kan påvirke eller blive påvirket af disse ændringer.

En model, der kredser om energi

Mens der kun er én jord, der er mange jordsystemmodeller. E3SM-teammedlemmerne designede deres model til at besvare spørgsmål, der er relevante for DOE's mission.

En af de hellige grale når det kommer til energiplanlægning er at kunne forudsige hvordan og hvornår regn, sne, og anden nedbør falder over land. Ændringer i klima og arealanvendelse kan øge atmosfærens evne til at holde på fugt og få storme til at opstå hyppigere og mere intenst. I modsætning, det kan også føre til mere fordampning, resulterer i mere tørke. Eller højst sandsynligt, begge kan forekomme forskellige steder rundt om i verden.

Den nye model fokuserer på tre områder, der har betydelige effekter på overfladenedbør, vinde, og temperatur samt energiproduktion:vandets kredsløb, måden forskellige jordsystemkomponenter udveksler biogeokemiske fluxer på, og indlandsisens bevægelse og smeltning.

"For at forudsige nedbør, du skal virkelig forstå næsten alle andre dele af jordsystemet, " sagde Leung. "Atmosfæren spiller rollen som at forbinde alt. Stemningen er ikke lokal."

At kombinere disse systemer i én model og få det nødvendige detaljeringsniveau er ikke noget, du kan gøre på din stationære computer. I stedet, det kræver de store maskiner - supercomputerne på DOE Office of Science brugerfaciliteter. E3SM-programmører skrev softwaren for at drage fuld fordel af disse computeres hardware og operativsystemer. Holdet designer det også, så de kan opgradere modellen til at køre på DOE's fremtidige exascale-computere. Disse computere vil være 50 gange stærkere end nutidens hurtigste computere.

Ved at bruge disse computere, modellen vil kunne give meget flere detaljer end tidligere jordsystemmodeller. Holdet forventer, at E3SM vil tilbyde det dobbelte af det overordnede detaljeringsniveau ved hjælp af Oak Ridge Leadership Computing Facility's (en DOE Office of Science brugerfacilitet) nye supercomputer Summit, sammenlignet med nuværende modeller. Afhængig af behovet, det kan også tilbyde den samme mængde overordnede detaljer i det meste af verden, samtidig med at den giver ekstrem høj opløsning på specifikke områder. Denne regionalt raffinerede opløsning vil give videnskabsfolk mulighed for at se på effekter på et meget mere regionalt grundlag. Det kunne hjælpe dem til bedre at forstå menneskelige aktiviteter, som landbrug, der varierer fra sted til sted.

Denne computerkraft vil også give dem mulighed for at køre 10 gange så mange simuleringer, som de kan i øjeblikket.

"Vi kan nu lave flere simuleringer ved at bruge færre ressourcer, " sagde Mark Taylor, en videnskabsmand ved DOE's Sandia National Laboratories og E3SM Chief Computational Scientist.

At køre programmet på exascale-computere vil tillade endnu større spring i modellens kompleksitet og detaljer.

Sådan skaber du et værktøj, der peer ind i fremtiden

At bygge en så kompliceret model er som at genopbygge en bil. Du starter måske med den samme ramme, men når du tuner nogle gamle dele op, skift andre ud med nye, og få det hele til at hænge sammen, det ser ud og virker helt anderledes.

For at starte, holdet arbejdede med en eksisterende jordsystemmodel – Community Earth System Model.

Den største udfordring med Community Earth System Model - og alle eksisterende jordsystemmodeller - er, at der er områder, hvor simuleringer konsekvent er unøjagtige. Mens deres modellering stort set stemmer overens med beviserne, visse detaljer stemmer ikke helt overens med observationer.

Desværre, disse problemer har ikke en simpel løsning.

"Det er ikke sådan, at man kan ændre én ting, og det retter op. Man ændrer én ting, og man gør normalt noget andet værre, fordi systemet er forbundet, " sagde Bader. Ligesom den rigtige Jords system.

Der er flere veje, som modelbyggere følger for at reducere disse fejl.

Revision af basismodellen er det mest logiske sted at starte. Forskere kan ofte forbedre modeller ved at justere fysikligningerne og økologiske teorier, der er baseret på forskningsresultater. Observationsdata, såsom fra DOE Office of Science's ARM Climate Research Facility, jævnligt give ny indsigt.

Udskiftning af eksisterende undermodeller til nye, mere præcise er en anden tilgang. E3SM-teamet påtog sig den enorme opgave at udvikle fire separate, helt nye undermodeller, der repræsenterer floder, det globale hav, havisen, og landis.

"Der er processer, som normalt ikke har været repræsenteret i nogen jordsystemmodel rundt om i verden, " sagde Leung, med henvisning til flodmodellen. "Uden disse dele, vi mangler nogle af de vigtige led i den globale energi, vand, og biogeokemiske kredsløb."

Men at tilføje disse nye modeller er ikke et spørgsmål om klip-og-klistre. Forskere skal forbinde dem nøjagtigt, så ændringer i en korrekt påvirker de andre.

"Du udskifter alle disse komponenter, og du håber, at denne model vil fungere bedre end før. Men det er ikke rent held. Du skal virkelig tilbage til det grundlæggende, " sagde Leung.

Svarende til problemet med "manglende vand", holdet stod over for en lignende udfordring med deres havmodel. Efter at de udskiftede det, de så, at hele Jordsystemet ikke simulerede El Nino-Sydlige Oscillationen, stor indflydelse på vejrmønstret. Holdet indså, at atmosfæren og havmodellerne repræsenterede forholdet mellem vind- og vandbevægelser i havet anderledes end observationer gjorde. For at gøre begge dele mere nøjagtige, de reviderede processerne for at matche hinanden.

Stadig bedre, Eksperimenterer nogensinde

Alt dette hårde arbejde gav pote, da holdet udgav den første version af modellen i april sidste år. Men de er langt fra færdige. Faktisk, de forventer at producere mindst tre versioner mere i fremtiden.

De er allerede ved at forbedre den nuværende model ved at ændre undermodellerne i den. Forskere har offentliggjort et papir, der ser på, hvordan man kan forbedre den måde, flodmodellen repræsenterer oversvømmelser i Amazonas. Ved at bruge topografiske data om flodkanaler og information om hvordan vandet løber mellem land og flod, de var i stand til at gøre undermodellen mere præcis. En anden undersøgelse beskriver, hvordan åmodellen bedre kunne vise, hvordan og hvornår forskellige samfundssektorer bruger overfladevand og grundvand.

På samme tid, forskere bruger den nuværende model til at køre en række eksperimenter. Da de er færdige, de frigiver model-"dataene" på DOE Earth System Grid Federation-dataarkivet med modelresultater. Projektet har også gjort sin kode offentligt tilgængelig via det populære programmeringswebsted GitHub.

Mens projektet fortsætter, forskere arbejder på at få et klarere indblik i vores Jords fremtid end nogensinde før.

"Alle disse modeller repræsenterer den kumulative viden, som vi har opnået gennem de sidste 40 år, " sagde Bader. "Det har resulteret i både en bedre forståelse og derfor repræsentation af både energi- og jordsystemprocesser. Den er meget mere komplet end tidligere modeller."