Ett nytt jordmodelleringssystem som presenteras idag kommer att ha väderskalaupplösning och använda avancerade datorer för att simulera aspekter av jordens variation och förutse dekadala förändringar som kommer att kritiskt påverka den amerikanska energisektorn under de kommande åren.

"Detta multilaboratoriska arbete kommer att bli ett stort framsteg i våra redan viktiga funktioner för modellering av jordsystem och energirelaterad analys, "sa John Sarrao, Huvudassistent för vetenskap, Teknik och teknik vid Los Alamos National Laboratory. "Vårt laboratorium, tillsammans med våra systerinstitutioner, har bidragit betydligt till modellering av jordsystem under de senaste decennierna, men det senaste bidraget tar vårt arbete till en helt ny nivå. "

Efter fyra års utveckling, Energy Exascale Earth System Model (E3SM) kommer att släppas till det bredare vetenskapliga samhället denna månad. E3SM -projektet stöds av Department of Energy's Office of Science i biologiska och miljöforskningskontoret. E3SM -versionen kommer att innehålla modellkod och dokumentation, samt utdata från en första uppsättning riktmärksimuleringar.

Jorden, med dess otaliga interaktioner av atmosfär, hav, land- och iskomponenter, presenterar ett utomordentligt komplext system för utredning. Jordsystemsimulering innebär att man löser approximationer av fysiska, kemiska och biologiska styrande ekvationer på rymdnät i upplösningar som är lika fina i skalan som beräkningsresurser tillåter.

"E3SM är den första end-to-end flerskaliga jordsystemsmodellen, vilket betyder att vi kan fokusera modellupplösning och datorresurser mot specifika platser för att svara på specifika frågor som är viktiga för DOE, "sa forskaren Steve Price från Los Alamos." Till exempel, Los Alamos använder E3SM med fokuserad upplösning runt Antarktis för att förbättra modelleringen av hur havsvatten smälter ishyllor-den kritiska processen som styr sannolikheten för plötsliga havsnivåhöjningar. "

E3SM -projektet kommer på ett tillförlitligt sätt att simulera aspekter av variationer i jordsystem och projektera dekadala förändringar som kommer att kritiskt påverka den amerikanska energisektorn inom en snar framtid. Dessa kritiska faktorer inkluderar a) regionala luft/vattentemperaturer, som kan anstränga energinät; b) tillgång till vatten, som påverkar kraftverksverksamheten; c) extrema vattencykelhändelser (t.ex. översvämningar och torka), som påverkar infrastruktur och bioenergi; och d) havsnivåhöjning och översvämningar vid kusten som hotar kustinfrastrukturen.

"Det är ingen brist på viktiga problem som vi kan hantera med den här nya modelleringsförmågan, "sa Todd Ringler, även från Los Alamos. "Ta Arktis, till exempel. Det förändras snabbt - och det innebär nya möjligheter och nya säkerhetsrisker. Denna nya modelleringsförmåga-särskilt de nya tillvägagångssätt som vi utvecklat för havs- och isisystemen-kommer att vara avgörande för att förutsäga hur, när och varför i det föränderliga Arktis. "

Målet med projektet är att utveckla en jordsystemmodell (ESM) som inte har varit möjlig på grund av begränsningar i nuvarande datorteknik. För att nå detta mål krävs framsteg på tre gränser:

1. bättre lösning av jordsystemsprocesser genom en strategisk kombination av att utveckla nya processer i modellen, ökad modellupplösning och förbättrad beräkningsprestanda;
2. representerar mer realistiskt tvåvägsinteraktioner mellan mänskliga aktiviteter och naturliga processer, särskilt när dessa interaktioner påverkar USA:s energibehov; och
3. ensemblemodellering för att kvantifiera osäkerhet i modellsimuleringar och projektioner.

"Kvaliteten och kvantiteten av observationer får oss verkligen att begränsa modellerna, "sa David Bader, Lawrence Livermore National Laboratory forskare och ledare för E3SM -projektet. "Med det nya systemet, vi kommer att kunna mer realistiskt simulera nuet, vilket ger oss mer förtroende för att simulera framtiden. "

Att simulera atmosfärisk och oceanisk vätskedynamik med fin rumslig upplösning är särskilt utmanande för ESM. E3SM -projektet är placerat i spetsen för denna forskningsutmaning, agerar på uppdrag av en internationell ESM -insats. Att öka antalet jordsystemdagar som simuleras per datatids dag är en förutsättning för att uppnå E3SM-projektmålet. Det är också viktigt för E3SM att effektivt använda de olika datorarkitekturer som DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) -kontoret anskaffar för att vara förberedd för den ovissa framtiden för nästa generations maskiner.

Ett långsiktigt mål med E3SM-projektet är att använda exascale-maskiner som ska anskaffas under de kommande fem åren. Utvecklingen av E3SM pågår parallellt med Exascale Computing Initiative (ECI). (En exascale refererar till ett datasystem som kan utföra en miljard miljarder (109 x 109 =1018) beräkningar per sekund. Detta representerar en tusenfaldig prestationsökning jämfört med de mest avancerade datorerna från ett decennium sedan).

"Vi är särskilt intresserade av att noggrant bedöma risken för plötsliga havsnivåhöjningar, säg mer än 3 fot, någon gång under detta århundrade, "sa Ringler." För att åstadkomma detta, Los Alamos konstruerade helt nya datormodeller av havet, landis- och havis-system-det här är en enorm prestation av modelleringsteamet i Los Alamos. "

"Denna modell lägger till en mycket mer fullständig representation mellan interaktioner mellan energisystemet och jordsystemet, "Bader sa." Ökningen av datorkraft gör att vi kan lägga till mer detaljer i processer och interaktioner som resulterar i mer exakta och användbara simuleringar än tidigare modeller. "

För att hantera de olika kritiska faktorer som påverkar den amerikanska energisektorn, E3SM -projektet är dedikerat till att besvara tre övergripande vetenskapliga frågor som driver dess numeriska experimentinitiativ:

• Vattencykel:Hur interagerar den hydrologiska cykeln med resten av människans jord-system på lokal till global skala för att bestämma vattentillgänglighet och extrema vattencykler?
• Biogeokemi:Hur interagerar biogeokemiska cykler med andra jordsystemskomponenter för att påverka energisektorn?
• Kryosfärsystem:Hur utvecklas snabba förändringar i kryosfärsystem (kontinentala och havsis) system med jordsystemet och bidrar till havsnivåhöjning och ökad sårbarhet vid kusten?

I E3SM, alla modellkomponenter (atmosfär, hav, landa, is) kan använda variabel upplösning för att fokusera datorkraften på finskaliga processer i regioner av särskilt intresse. Detta implementeras med hjälp av avancerade mesh-konstruktioner som smidigt avsmalnar gallerskalan från det grövre yttre området till det mer förfinade området.

E3SM -projektet omfattar mer än 100 forskare och mjukvaruutvecklare vid flera DOE -laboratorier samt flera universitet; DOE -laboratorierna inkluderar Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Pacific Northwest och Sandia nationella laboratorier. Som ett erkännande av att ena DOE jordsystemmodelleringsgemenskapen för att utföra högupplösta kopplade simuleringar, E3SM:s verkställande kommitté tilldelades energisekreterarens prestationspris 2015.

Dessutom, E3SM -projektet drar också nytta av DOE -programmatiska samarbeten, inklusive Exascale Computing Project (ECP) och program inom Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC), Klimatmodellutveckling och validering (CMDV), Atmosfärisk strålningsmätning (ARM), Program för klimatmodelldiagnos och jämförelse (PCMDI), International Land Model Benchmarking Project (iLAMB), Community Earth System Model (CESM) och Next Generation Ecosystem Experiment (NGEE) för Arktis och tropikerna.