Forskere begynder at bygge en meget præcis digital tvilling af vores planet

En digital tvilling af vores planet skal simulere Jordsystemet i fremtiden. Formålet er at støtte beslutningstagere i at træffe passende foranstaltninger til bedre at forberede sig på ekstreme begivenheder. Et nyt strategipapir af europæiske forskere og ETH Zürich -computerforskere viser, hvordan dette kan opnås.

For at blive klimaneutral i 2050, EU lancerede to ambitiøse programmer:Green Deal og DigitalStrategy. Som en vigtig komponent i deres vellykkede implementering, klimaforskere og computerforskere lancerede Destination Earth -initiativet, som starter i midten af ​​2021 og forventes at løbe i op til ti år. I denne periode, der skal skabes en meget præcis digital model af Jorden, en digital tvilling af jorden, at kortlægge klimaudvikling og ekstreme begivenheder så præcist som muligt i rum og tid.

Observationsdata vil løbende blive inkorporeret i den digitale tvilling for at gøre den digitale jordmodel mere præcis til overvågning af udviklingen og forudsige mulige fremtidige baner. Men ud over de observationsdata, der konventionelt bruges til vejr- og klimasimuleringer, forskerne ønsker også at integrere nye data om relevante menneskelige aktiviteter i modellen. Den nye jordsystemmodel vil repræsentere stort set alle processer på Jordens overflade så realistisk som muligt, herunder menneskers indflydelse på vand, fødevare- og energistyring, og processerne i det fysiske jordsystem.

Informationssystem til beslutningstagning

Jordens digitale tvilling er beregnet til at være et informationssystem, der udvikler og tester scenarier, der viser mere bæredygtig udvikling og dermed bedre informerer politikker. "Hvis du planlægger et to meter højt diget i Holland, for eksempel, Jeg kan gennemgå dataene i min digitale tvilling og kontrollere, om diget efter al sandsynlighed stadig vil beskytte mod forventede ekstreme hændelser i 2050, "siger Peter Bauer, vicedirektør for forskning ved European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) og medinitiativtager til Destination Earth. Den digitale tvilling vil også blive brugt til strategisk planlægning af ferskvand og fødevarer eller vindmølleparker og solcelleanlæg.

Drivkræfterne bag Destination Earth er ECMWF, Det Europæiske Rumagentur (ESA), og Den Europæiske Organisation for Udnyttelse af Meteorologiske Satellitter (EUMETSAT). Sammen med andre forskere Bauer driver klimavidenskaben og meteorologiske aspekter af Jordens digitale tvilling, men de er også afhængige af viden fra computerforskere fra ETH Zürich og det schweiziske nationale supercomputecenter (CSCS), nemlig ETH -professorer Torsten Hoefler, fra Institute for High Performance Computing Systems, og Thomas Schulthess, Direktør for CSCS.

For at tage dette store skridt i den digitale revolution, Bauer understreger behovet for, at jordvidenskab er gift med datalogierne. I en nylig publikation i Natur Computational Science , forskergruppen fra jord- og datavidenskaben diskuterer, hvilke konkrete foranstaltninger de gerne vil bruge til at fremme denne "digitale revolution inden for jordsystemvidenskaber, ”hvor de ser udfordringerne, og hvilke mulige løsninger der kan findes.

Vejr- og klimamodeller som grundlag

I deres papir, forskerne ser tilbage på den stadige udvikling af vejrmodeller siden 1940'erne, en succeshistorie, der foregik stille og roligt. Meteorologerne var banebrydende, så at sige, simuleringer af fysiske processer på verdens største computere. Som fysiker og datalog, CSCS's Schulthess er derfor overbevist om, at nutidens vejr- og klimamodeller er ideelle til at identificere helt nye måder for mange flere videnskabelige discipliner, hvordan man bruger supercomputere effektivt.

I fortiden, vejr- og klimamodellering brugte forskellige metoder til at simulere jordsystemet. Mens klimamodeller repræsenterer et meget bredt sæt fysiske processer, de forsømmer typisk småskala processer, hvilken, imidlertid, er afgørende for de mere præcise vejrudsigter, der igen, fokusere på et mindre antal processer. Den digitale tvilling vil bringe begge områder sammen og muliggøre simuleringer i høj opløsning, der skildrer de komplekse processer i hele Jordsystemet. Men for at opnå dette, koderne for simuleringsprogrammerne skal tilpasses nye teknologier, der lover meget forbedret computerkraft.

Med de computere og algoritmer, der er tilgængelige i dag, de meget komplekse simuleringer kan næppe udføres ved den planlagte ekstremt høje opløsning på en kilometer, fordi i årtier, kodeudvikling stagnerede fra et datalogisk perspektiv. Klimaforskning havde fordel af at kunne opnå højere ydeevne ved hjælp af nye generationer af processorer uden at skulle ændre deres program grundlæggende. Denne gratis præstationsgevinst med hver ny processorgeneration stoppede for cirka 10 år siden. Som resultat, nutidens programmer kan ofte kun udnytte 5 procent af den maksimale ydeevne for konventionelle processorer (CPU).

For at opnå de nødvendige forbedringer, forfatterne understreger behovet for co-design, dvs. at udvikle hardware og algoritmer sammen og samtidigt, som CSCS med succes demonstrerede i løbet af de sidste ti år. De foreslår at være særlig opmærksom på generiske datastrukturer, optimeret rumlig diskretisering af nettet, der skal beregnes og optimering af tidstrinlængderne. Forskerne foreslår endvidere at adskille koderne til løsning af det videnskabelige problem fra de koder, der optimalt udfører beregningen på den respektive systemarkitektur. Denne mere fleksible programstruktur ville muliggøre en hurtigere og mere effektiv omstilling til fremtidige arkitekturer.

Profiterer fra kunstig intelligens

Forfatterne ser også et stort potentiale inden for kunstig intelligens (AI). Den kan bruges, for eksempel, til dataassimilering eller behandling af observationsdata repræsentationen af ​​usikre fysiske processer i modellerne og datakomprimering. AI gør det således muligt at fremskynde simuleringerne og filtrere de vigtigste oplysninger ud fra store datamængder. Derudover forskerne antager, at brugen af ​​maskinlæring ikke kun gør beregningerne mere effektive, men kan også hjælpe med at beskrive de fysiske processer mere præcist.

Forskerne ser deres strategipapir som et udgangspunkt på vejen til en digital tvilling af jorden. Blandt de computerarkitekturer, der er tilgængelige i dag, og dem, der forventes i den nærmeste fremtid, supercomputere baseret på grafikprocessorenheder (GPU) ser ud til at være den mest lovende mulighed. Forskerne vurderer, at betjening af en digital tvilling i fuld skala ville kræve et system med omkring 20, 000 GPU'er, forbruger anslået 20 MW strøm. Af både økonomiske og økologiske årsager, sådan en computer skal betjenes på et sted, hvor CO ₂ -neutral frembragt elektricitet er tilgængelig i tilstrækkelige mængder.