p Um novo sistema de modelagem da Terra revelado hoje terá resolução em escala climática e usará computadores avançados para simular aspectos da variabilidade da Terra e antecipar mudanças decadais que terão um impacto crítico no setor de energia dos EUA nos próximos anos. p "Este esforço multilaboratório será um grande avanço em nossas já importantes capacidades de modelagem de sistemas terrestres e análises relacionadas à energia, "disse John Sarrao, Diretor Associado Principal para Ciência, Tecnologia e Engenharia do Laboratório Nacional de Los Alamos. "Nosso laboratório, junto com nossas instituições irmãs, fez contribuições significativas para a modelagem de sistemas terrestres nas décadas anteriores, mas esta última contribuição leva nosso trabalho a um nível totalmente novo. "

p Após quatro anos de desenvolvimento, o Energy Exascale Earth System Model (E3SM) será lançado para a comunidade científica mais ampla este mês. O projeto E3SM é apoiado pelo Gabinete de Ciências do Departamento de Energia do Gabinete de Investigação Biológica e Ambiental. O lançamento do E3SM incluirá o código do modelo e documentação, bem como a saída de um conjunto inicial de simulações de benchmark.

p A Terra, com sua miríade de interações de atmosfera, oceanos, componentes de terra e gelo, apresenta um sistema extraordinariamente complexo de investigação. A simulação do sistema terrestre envolve a resolução de aproximações físicas, equações químicas e biológicas que governam as grades espaciais em resoluções que são tão finas em escala quanto os recursos de computação permitem.

p "E3SM é o primeiro modelo de sistema terrestre multi-escala de ponta a ponta, o que significa que podemos concentrar a resolução do modelo e os recursos do computador em locais específicos para ajudar a responder a perguntas específicas que são importantes para o DOE, "disse o pesquisador Steve Price, de Los Alamos." Por exemplo, Los Alamos está usando o E3SM com resolução focada na Antártica para melhorar a modelagem de como as águas do oceano derretem as plataformas de gelo - o processo crítico que controla a probabilidade de um aumento abrupto do nível do mar. "

p O projeto E3SM simulará de forma confiável aspectos da variabilidade do sistema terrestre e projetará mudanças decadais que terão um impacto crítico no setor de energia dos EUA em um futuro próximo. Esses fatores críticos incluem a) temperaturas regionais do ar / água, que pode sobrecarregar as redes de energia; b) disponibilidade de água, que afeta as operações da usina; c) eventos extremos do ciclo da água (por exemplo, inundações e secas), que impactam a infraestrutura e a bioenergia; ed) aumento do nível do mar e inundações costeiras que ameaçam a infraestrutura costeira.

p "Não faltam problemas importantes que podemos enfrentar com esta nova capacidade de modelagem, "disse Todd Ringler, também de Los Alamos. "Pegue o Ártico, por exemplo. Ele está mudando rapidamente - e isso apresenta novas oportunidades e novos riscos de segurança. Esta nova capacidade de modelagem - particularmente as novas abordagens que desenvolvemos para os sistemas de oceano e gelo marinho - será crítica para prever como, quando e por que da mudança no Ártico. "

p O objetivo do projeto é desenvolver um modelo de sistema terrestre (ESM) que não foi possível devido às limitações das tecnologias de computação atuais. O cumprimento dessa meta exigirá avanços em três fronteiras:

1. resolver melhor os processos do sistema terrestre por meio de uma combinação estratégica de desenvolvimento de novos processos no modelo, resolução de modelo aumentada e desempenho computacional aprimorado;
2. representando de forma mais realista as interações bidirecionais entre as atividades humanas e os processos naturais, especialmente onde essas interações afetam as necessidades de energia dos EUA; e
3. modelagem por conjunto para quantificar a incerteza das simulações e projeções do modelo.

p "A qualidade e a quantidade das observações realmente nos fazem restringir os modelos, "disse David Bader, Cientista do Lawrence Livermore National Laboratory e líder do projeto E3SM. "Com o novo sistema, seremos capazes de simular de forma mais realista o presente, o que nos dá mais confiança para simular o futuro. "

p Simular a dinâmica dos fluidos atmosféricos e oceânicos com resolução espacial fina é especialmente desafiador para ESMs. O projeto E3SM está posicionado na vanguarda deste desafio de pesquisa, agindo em nome de um esforço internacional ESM. Aumentar o número de dias do sistema terrestre simulados por dia de tempo de computação é um pré-requisito para atingir o objetivo do projeto E3SM. Também é importante para o E3SM usar com eficácia as diversas arquiteturas de computador que o DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Office adquire para se preparar para o futuro incerto das máquinas da próxima geração.

p Um objetivo de longo prazo do projeto E3SM é usar máquinas exascale a serem adquiridas nos próximos cinco anos. O desenvolvimento do E3SM está ocorrendo em conjunto com a Exascale Computing Initiative (ECI). (Um exascale se refere a um sistema de computação capaz de realizar um bilhão de bilhões (109 x 109 =1018) de cálculos por segundo. Isso representa um aumento de mil vezes no desempenho em relação aos computadores mais avançados de uma década atrás).

p "Estamos particularmente interessados ​​em avaliar com precisão o risco de um aumento abrupto do nível do mar, diga mais de 3 pés, em algum momento durante este século, "disse Ringler." Para conseguir isso, Los Alamos construiu modelos de computador inteiramente novos do oceano, sistemas de gelo terrestre e marinho - esta é uma grande conquista da equipe de modelagem de Los Alamos. "

p "Este modelo adiciona uma representação muito mais completa entre as interações do sistema de energia e o sistema terrestre, "Bader disse." O aumento no poder de computação nos permite adicionar mais detalhes aos processos e interações que resultam em simulações mais precisas e úteis do que os modelos anteriores. "

p Para abordar os diversos fatores críticos que impactam o setor de energia dos EUA, o projeto E3SM se dedica a responder a três questões científicas abrangentes que orientam suas iniciativas de experimentação numérica:

• Ciclo da Água:Como o ciclo hidrológico interage com o resto do sistema humano-Terra em escalas locais e globais para determinar a disponibilidade de água e os extremos do ciclo da água?
• Biogeoquímica:Como os ciclos biogeoquímicos interagem com outros componentes do sistema terrestre para influenciar o setor de energia?
• Sistemas criosféricos:Como as mudanças rápidas nos sistemas criosféricos (gelo continental e oceânico) evoluem com o sistema terrestre e contribuem para o aumento do nível do mar e maior vulnerabilidade costeira?

p No E3SM, todos os componentes do modelo (atmosfera, oceano, terra, gelo) são capazes de empregar resolução variável para concentrar o poder de computação em processos de escala fina em regiões de interesse particular. Isso é implementado usando designs de malha avançados que afinam suavemente a escala da grade da região externa mais grossa para a região mais refinada.

p O projeto E3SM inclui mais de 100 cientistas e engenheiros de software em vários laboratórios DOE, bem como em várias universidades; os laboratórios DOE incluem Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Laboratórios nacionais do Noroeste do Pacífico e Sandia. Em reconhecimento à unificação da comunidade de modelagem do sistema terrestre DOE para realizar simulações acopladas de alta resolução, o comitê executivo da E3SM recebeu o Prêmio de Realização do Secretário de Energia em 2015.

p Além disso, o projeto E3SM também se beneficia de colaborações programáticas do DOE, incluindo o Exascale Computing Project (ECP) e programas em Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC), Desenvolvimento e validação do modelo climático (CMDV), Medição de radiação atmosférica (ARM), Programa de Diagnóstico e Intercomparação de Modelos Climáticos (PCMDI), Projeto de Benchmarking de Modelo de Terra Internacional (iLAMB), Community Earth System Model (CESM) e Next Generation Ecosystem Experiments (NGEE) para o Ártico e os Trópicos.