Um novo modelo climático computacional integrado desenvolvido para reduzir as incertezas nas previsões climáticas futuras marca a primeira tentativa bem-sucedida de conectar os sistemas da Terra com modelos econômicos e de energia e dados de impacto humano em grande escala. O modelo integrado do sistema terrestre, ou iESM, está sendo usado para explorar as interações entre o sistema de clima físico, componentes biológicos do sistema terrestre, e sistemas humanos.

Usando supercomputadores como o Titan, uma grande equipe multidisciplinar de cientistas liderada por Peter Thornton do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) tinha o poder necessário para integrar códigos massivos que combinam processos físicos e biológicos no sistema terrestre com feedbacks da atividade humana.

"O modelo que desenvolvemos e aplicamos acopla feedbacks biosféricos dos oceanos, atmosfera, e terra com atividades humanas, como as emissões de combustíveis fósseis, agricultura, e uso da terra, que elimina fontes importantes de incerteza dos resultados climáticos projetados, "disse Thornton, líder do grupo de Modelagem de Sistemas Terrestres na Divisão de Ciências Ambientais do ORNL e vice-diretor do Instituto de Ciências das Mudanças Climáticas do ORNL.

Titan é uma máquina Cray XK7 de 27 petaflop com uma arquitetura híbrida de CPU-GPU gerenciada pelo Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um DOE Office of Science User Facility localizado em ORNL.

Por meio do programa Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, A equipe de Thornton recebeu 85 milhões de horas de computação para melhorar o esforço de Modelagem Climática Acelerada para Energia (ACME), um projeto patrocinado pelo programa de Modelagem do Sistema Terrestre dentro do Escritório de Pesquisa Biológica e Ambiental do DOE. Atualmente, Os colaboradores da ACME estão focados no desenvolvimento de um modelo climático avançado capaz de simular 80 anos de variabilidade e mudanças climáticas históricas e futuras em 3 semanas ou menos de esforço computacional.

Agora em seu terceiro ano, o projeto atingiu vários marcos - notadamente o desenvolvimento da versão 1 do ACME e a inclusão bem-sucedida de fatores humanos em um de seus modelos de componentes, o iESM.

"O que é único no ACME é que ele leva o sistema a uma resolução mais alta do que a tentada antes, "Disse Thornton." Também está avançando em direção a uma capacidade de simulação mais abrangente, incluindo dimensões humanas e outros avanços, produzindo os modelos de sistema terrestre mais detalhados até hoje. "

A Conexão Humana

Para informar seus modelos de sistema terrestre, a comunidade de modelagem climática tem uma longa história de uso de modelos integrados de avaliação - estruturas para descrever o impacto da humanidade na Terra, incluindo a fonte global de gases de efeito estufa, uso da terra e mudança na cobertura da terra, e outros fatores relacionados com os recursos da mudança climática antropogênica.

Até agora, os pesquisadores não foram capazes de acoplar diretamente a atividade humana em grande escala com um modelo de sistema terrestre. Na verdade, o novo iESM pode marcar uma nova era de modelagem complexa e abrangente que reduz a incerteza ao incorporar feedbacks imediatos às variáveis ​​socioeconômicas para previsões mais consistentes.

O desenvolvimento do iESM começou antes da iniciativa ACME, quando uma equipe multilaboratorial objetivou adicionar novas dimensões humanas - como a forma como as pessoas afetam o planeta para produzir e consumir energia - aos modelos do sistema terrestre. O modelo - agora parte do componente de dimensões humanas da ACME - está sendo mesclado com a ACME em preparação para a versão 2 da ACME.

Junto com o iESM, a equipe ACME adicionou melhorias ao terreno, atmosfera, e os componentes oceânicos de seu código. Isso inclui uma estrutura mais capaz para calcular o fluxo cíclico de elementos químicos e compostos como o carbono, azoto, e água no meio ambiente. O novo modelo de terra da ACME inclui um esquema de transporte reativo totalmente acoplado para esses processos biogeoquímicos. Esta capacidade fornecerá uma conexão mais consistente entre os componentes físicos (térmicos e hidrológicos) e biológicos da simulação.

Talvez o avanço mais significativo, Contudo, é a introdução do ciclo do fósforo no código. O fósforo é um nutriente essencial para a vida, movendo-se do solo e sedimentos para plantas e animais e vice-versa. ACME versão 1 é o primeiro modelo de sistema terrestre global que inclui essa dinâmica.

Além de aumentar a resolução do modelo, e, assim, estimando novos parâmetros, o ajuste e a otimização contínuos da ACME aproximaram a equipe de atingir sua meta de velocidade de simulação de 80 anos em 3 semanas. Com os avanços, a equipe agora pode executar cerca de 3 ou 4 anos simulados por dia, cerca de duas vezes a saída de versões de código anteriores.

"O projeto geral da ACME não envolve apenas o desenvolvimento desses modelos de alta resolução, mas também a otimização de seu desempenho em plataformas de computação de alto desempenho que o DOE tem à sua disposição - incluindo Titan - para atingir nossa meta de 5 anos simulados por dia, "Disse Thornton.

O aumento da utilização das GPUs do Titan está ajudando o projeto a atingir o próximo nível. Matthew Norman do OLCF está trabalhando com a equipe de Thornton para descarregar várias partes da ACME para GPUs, que se destacam na execução rápida de cálculos repetitivos.

"ACME versão 2 deve fazer muito mais uso das GPUs para aumentar o desempenho da simulação, e há outros projetos que são esforços derivados usando ACME que visam a Summit [a próxima máquina de classe de liderança do OLCF] e futuras plataformas exascale, "Norman disse.

O OLCF continua a ajudar a equipe com gerenciamento de dados por meio de monitoramento avançado e suporte de ferramenta de fluxo de trabalho para ajudar a reduzir a quantidade de tempo que os pesquisadores precisam para obter resultados. Equipe OLCF, incluindo ligações Valentine Anantharaj e Norman, também estão ajudando em várias tarefas, como depuração, escala, e otimização de código.

"Os contatos são cruciais para nos ajudar a entender onde procurar problemas quando eles surgirem e obter o melhor desempenho do supercomputador Titan, "Disse Thornton.

Para que o iESM dê o próximo passo, a representação da superfície da terra entre os modelos acoplados deve se tornar mais consistente. A equipe também pretende incluir outras dimensões, incluindo gestão e armazenamento de água, produtividade agrícola, e estruturas de preços de commodities. Isso renderá melhores informações sobre as possíveis mudanças na disponibilidade de recursos hídricos, alocação, e escassez em climas diferentes.

"Essas melhorias são vitais, pois existe a preocupação de que os recursos de água doce possam ser o ponto crítico que será sentido primeiro, "Disse Thornton.

A versão 1 do ACME será lançada publicamente no final de 2017 para análise e uso por outros pesquisadores. Os resultados do modelo também contribuirão para o Projeto de Intercomparação de Modelo Acoplado, que fornece material básico para relatórios de avaliação de mudanças climáticas.