Jorden – med dess otaliga skiftande atmosfäriska, oceaniska, land- och iskomponenter – presenterar ett utomordentligt komplext system att simulera med hjälp av datormodeller.

Men ett nytt jordmodelleringssystem, Energy Exascale Earth System Model (E3SM), kan nu fånga och simulera alla dessa komponenter tillsammans. Släpptes den 23 april, efter fyra års utveckling, E3SM har väderskalaupplösning — dvs. tillräckligt med detaljer för att fånga fronter, stormar och orkaner — och använder avancerade datorer för att simulera aspekter av jordens variation. Systemet kan hjälpa forskare att förutse förändringar i dekadisk skala som kan påverka den amerikanska energisektorn under kommande år.

"Med detta nya system, vi kommer att kunna simulera nuet mer realistiskt, vilket ger oss mer självförtroende att simulera framtiden, säger David Bader, beräkningsforskare vid Lawrence Livermore National Laboratory och övergripande E3SM-projektledare.

E3SM-projektet stöds av U.S. Department of Energy's (DOE) Office of Biological and Environmental Research. "Ett av E3SM:s syften är att hjälpa till att säkerställa att DOE:s klimatuppdrag kan uppfyllas – inklusive på framtida exascale-system, sa Robert Jacob, en beräkningsklimatforskare vid Environmental Science-avdelningen vid DOE:s Argonne National Laboratory och en av 15 projektledare.

För att stödja detta uppdrag, projektets mål är att utveckla en jordsystemmodell som ökar förutsägbarheten. Detta mål har historiskt sett begränsats av begränsningar i datorteknik och osäkerheter i teori och observationer. För att förbättra förutsägbarheten krävs framsteg på två gränser:(1) förbättrad simulering av jordsystemsprocesser genom att utveckla nya modeller för fysiska processer, öka modellupplösningen och förbättra beräkningsprestanda; och (2) representerar tvåvägsinteraktionerna mellan mänskliga aktiviteter och naturliga processer mer realistiskt, särskilt där dessa interaktioner påverkar USA:s energibehov.

"Denna modell lägger till en mycket mer komplett representation mellan interaktioner mellan energisystemet och jordsystemet, sa David Bader, en beräkningsforskare vid Lawrence Livermore National Laboratory och övergripande E3SM-projektledare. "Med detta nya system, vi kommer att kunna simulera nuet mer realistiskt, vilket ger oss mer självförtroende att simulera framtiden."

Den långa utsikten

Att simulera jorden innebär att lösa approximationer av fysiska, kemiska och biologiska styrande ekvationer på rumsliga rutnät vid högsta möjliga upplösningar.

Faktiskt, att öka antalet simulerade jordsystemdagar per dag av beräkningstid vid olika upplösningsnivåer är så viktigt att det är en förutsättning för att uppnå E3SM-projektets mål. Den nya versionen kan simulera 10 år av jordsystemet på en dag med låg upplösning eller ett år av jordsystemet med hög upplösning på en dag (en exempelfilm finns tillgänglig på projektets webbplats). Målet är att E3SM ska stödja simulering av fem år av jordsystemet på en enda datordag med högsta möjliga upplösning till 2021.

Detta mål understryker projektets tunga tonvikt på både prestanda och infrastruktur – två viktiga styrkeområden för Argonne. "Våra forskare har varit aktiva för att se till att modellen fungerar bra med många trådar, sa Jakob, vem kommer att leda infrastrukturgruppen i fas II, som—med E3SM:s första release—startar den 1 juli. Att peka ut expertisen hos prestandaingenjören Azamat Mametjanov från Argonnes division Mathematics and Computer Science, Jacob fortsatte:"Vi har kört och testat Theta, vårt nya 10-petaflop-system på Argonnes Leadership Computing Facility, och kommer att genomföra några av högupplösta simuleringar på den plattformen."

Forskare som använder E3SM kan använda variabel upplösning på alla modellkomponenter (atmosfär, hav, landa, is), så att de kan fokusera datorkraft på finskaliga processer i olika regioner. Programvaran använder avancerade mesh-designer som mjukt avsmalnar rutnätsskalan från det grövre yttre området till det mer raffinerade området.

Anpassning för exascale

E3SM:s utvecklare – mer än 100 forskare och mjukvaruingenjörer – har ett långsiktigt mål:att använda exascale maskiner som DOE Advanced Scientific Computing Research Office förväntar sig att skaffa under de kommande fem åren. Således, Utvecklingen av E3SM fortskrider parallellt med Exascale Computing Initiative. (Exascale hänvisar till ett datorsystem som kan utföra en miljard [10 ¹⁸ ] beräkningar per sekund – en tusenfaldig ökning av prestanda jämfört med de mest avancerade datorerna sedan ett decennium sedan.)

Ett annat nyckelfokus kommer att vara på mjukvaruteknik, som inkluderar alla processer för att utveckla modellen; utformning av testerna; och utveckla den nödvändiga infrastrukturen, inklusive input/output bibliotek och mjukvara för att koppla modellerna. E3SM använder Argonnes Model Coupling Toolkit (MCT), liksom andra ledande klimatmodeller (t.ex. Community Earth System Model [CESM]) för att koppla samman atmosfären, havet och andra undermodeller. (En ny version av MCT [2.10] släpptes tillsammans med E3SM.)

Ytterligare Argonne-specifika bidrag i fas II kommer att fokusera på:

• Grödmodellering:Ansträngningarna kommer att fokusera på att bättre efterlikna grödor som majs, vete och sojabönor, vilket kommer att förbättra simulerad påverkan av grödor på kol, näringsämne, energi och vattenkretslopp, såväl som att fånga implikationerna av interaktioner mellan människa och jord
• Damm och aerosoler:Dessa spelar en stor roll i atmosfären, strålning och moln, samt olika kemiska kretslopp.

Samarbete mellan - och utanför - nationella laboratorier

E3SM-projektet har involverat forskare vid flera DOE-laboratorier inklusive Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Pacific Northwest och Sandia nationella laboratorier, samt flera universitet.

Projektet drar också nytta av samarbete inom DOE, inklusive med Exascale Computing Project och program i Scientific Discovery through Advanced Computing, Utveckling och validering av klimatmodeller, Atmosfärisk strålningsmätning, Program för diagnostik och jämförelse av klimatmodeller, International Land Model Benchmarking Project, Gemenskapens jordsystemmodell och nästa generations ekosystemexperiment för Arktis och tropikerna.