En ny integrerad beräkningsklimatmodell utvecklad för att minska osäkerheter i framtida klimatförutsägelser markerar det första framgångsrika försöket att överbrygga jordsystem med energi- och ekonomiska modeller och storskalig mänsklig påverkan. Den integrerade jordsystemmodellen, eller iESM, används för att utforska interaktioner mellan det fysiska klimatsystemet, biologiska komponenter i jordsystemet, och mänskliga system.

Genom att använda superdatorer som Titan, ett stort multidisciplinärt team av forskare ledda av Peter Thornton från det amerikanska energidepartementets (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hade den kraft som krävs för att integrera massiva koder som kombinerar fysiska och biologiska processer i jordsystemet med återkopplingar från mänsklig aktivitet.

"Modellen vi utvecklade och tillämpade kopplar biosfärisk återkoppling från oceaner, atmosfär, och mark med mänskliga aktiviteter, som utsläpp av fossila bränslen, lantbruk, och markanvändning, som eliminerar viktiga källor till osäkerhet från förväntade klimatutfall, sa Thornton, ledare för Terrestrial Systems Modeling-gruppen i ORNL:s Environmental Sciences Division och biträdande chef för ORNL:s Climate Change Science Institute.

Titan är en 27-petaflop Cray XK7-maskin med en hybrid CPU-GPU-arkitektur som hanteras av Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility belägen på ORNL.

Genom programmet Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, Thorntons team tilldelades 85 miljoner beräkningstimmar för att förbättra ansträngningen Accelerated Climate Modeling for Energy (ACME), ett projekt sponsrat av programmet Earth System Modeling inom DOE:s kontor för biologisk och miljöforskning. För närvarande, ACME-samarbetspartners är fokuserade på att utveckla en avancerad klimatmodell som kan simulera 80 år av historisk och framtida klimatvariabilitet och förändring på 3 veckor eller mindre av datoransträngning.

Nu på sitt tredje år, projektet har uppnått flera milstolpar – särskilt utvecklingen av ACME version 1 och den framgångsrika inkluderingen av mänskliga faktorer i en av dess komponentmodeller, iESM.

"Det unika med ACME är att det driver systemet till en högre upplösning än vad som har försökts tidigare, " sa Thornton. "Det driver också mot en mer omfattande simuleringskapacitet genom att inkludera mänskliga dimensioner och andra framsteg, ger de mest detaljerade jordsystemmodellerna hittills. "

Den mänskliga anslutningen

För att informera om sina jordsystemmodeller, klimatmodelleringsgemenskapen har en lång historia av att använda integrerade bedömningsmodeller – ramar för att beskriva mänsklighetens inverkan på jorden, inklusive källan till globala växthusgaser, markanvändning och förändring av marktäcket, och andra resursrelaterade drivkrafter bakom antropogena klimatförändringar.

Tills nu, forskare hade inte direkt kunnat koppla storskalig mänsklig aktivitet med en jordsystemmodell. Faktiskt, den nya iESM kan markera en ny era av komplex och omfattande modellering som minskar osäkerheten genom att införliva omedelbar återkoppling till socioekonomiska variabler för mer konsekventa förutsägelser.

Utvecklingen av iESM började före ACME-initiativet när ett multilaboratorieteam syftade till att lägga till nya mänskliga dimensioner – som hur människor påverkar planeten för att producera och konsumera energi – till jordsystemmodeller. Modellen – nu en del av ACMEs mänskliga dimensionskomponent – ​​slås samman med ACME som förberedelse för ACME version 2.

Tillsammans med iESM, ACME-teamet har lagt till förbättringar till landet, atmosfär, och havskomponenter i deras kod. Dessa inkluderar ett mer kapabelt ramverk för att beräkna det cykliska flödet av kemiska element och föreningar som kol, kväve, och vatten i miljön. Den nya ACME-landmodellen inkluderar ett helt kopplat reaktivt transportsystem för dessa biogeokemiska processer. Denna förmåga kommer att ge en mer konsekvent koppling mellan fysiska (termiska och hydrologiska) och biologiska komponenter i simuleringen.

Det kanske viktigaste framstegen, dock, är introduktionen av fosforcykeln till koden. Fosfor är ett viktigt näringsämne för livet, flytta från jord och sediment till växter och djur och tillbaka. ACME version 1 är den första globala jordsystemmodellen som inkluderar denna dynamik.

Förutom att öka modellens upplösning, och därmed uppskatta nya parametrar, pågående trimning och optimering av ACME har fört teamet närmare sitt 80-år-på-3-veckors simuleringshastighetsmål. Med framstegen, teamet kan nu köra cirka 3 eller 4 simulerade år per dag, ungefär dubbelt så mycket som tidigare kodversioner.

"Det övergripande ACME-projektet innebär inte bara att utveckla dessa högupplösta modeller utan också att optimera deras prestanda på högpresterande datorplattformar som DOE har till sitt förfogande - inklusive Titan - för att nå vårt mål på 5 simulerade år per dag, sa Thornton.

Ökat utnyttjande av Titans GPU:er hjälper projektet att nå nästa nivå. OLCF:s Matthew Norman arbetar med Thorntons team för att ladda ner olika delar av ACME till GPU:er, som utmärker sig för att snabbt utföra repetitiva beräkningar.

"ACME version 2 borde göra mycket mer användning av GPU:erna för att öka simuleringsprestandan, och det finns andra projekt som är spin-off-insatser med ACME som är inriktade på Summit [OLCF:s nästa maskin i ledarskapsklass] och framtida exascale-plattformar, sa Norman.

OLCF fortsätter att hjälpa teamet med datahantering via avancerad övervakning och stöd för arbetsflödesverktyg för att minska den tid som forskare behöver för att få resultat. OLCF personal, inklusive kontaktpersonerna Valentine Anantharaj och Norman, hjälper också till med olika uppgifter som felsökning, skalning, och optimeringskod.

"Sambanden är avgörande för att hjälpa oss att förstå var vi ska leta efter problem när de uppstår och för att få ut den bästa prestandan ur Titan superdator, sa Thornton.

För att iESM ska ta nästa steg, representationen av markytan mellan kopplade modeller måste bli mer konsekvent. Teamet strävar också efter att inkludera andra dimensioner, inklusive vattenhantering och lagring, jordbrukets produktivitet, och råvaruprisstrukturer. Detta kommer att ge bättre information om potentiella förändringar i tillgången på vattenresurser, tilldelning, och brist under olika klimat.

"Dessa förbättringar är avgörande eftersom det finns oro för att färskvattenresurser kan vara den nypa punkten som känns först, sa Thornton.

ACME version 1 kommer att släppas offentligt i slutet av 2017 för analys och användning av andra forskare. Resultat från modellen kommer också att bidra till Coupled Model Intercomparison Project, som tillhandahåller underlag för klimatutvärderingsrapporter.