Jorden tappade tydligen vatten.

Ruby Leung, en forskare från Department of Energy's (DOE) Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), och hennes team blev förbryllade över deras resultat.

"Vi såg havsnivån sjunka i en alarmerande takt, " Hon sa.

Lyckligtvis, de tittade bara på en virtuell jord. De insåg snabbt att det fanns fel i jordsystemets datormodell som de utvecklade. Forskare använder dessa datorprogram för att visualisera nuet och se in i framtiden. De måste komma så nära som möjligt att modellera hur jordens system fungerar i verkliga livet. Eftersom den verkliga jorden cirkulerar vatten men förlorar det aldrig, det borde inte modellen heller.

Att identifiera problemet var enkelt. Att fixa det var det inte. Det finns hundratals variabler i modellen som kan påverka dess vattencykel. Att hitta den exakta och ändra den utan att skapa en annan felaktighet kan ta timmar eller dagar i arbete. I det här fallet, modellen skickade inte alla avrinnande vattenflöden från land till havet. Dessutom, den atmosfäriska modellen förlorade en mycket liten mängd vatten vid varje tidssteg, som lagt ihop ganska mycket. För att åtgärda problemet, Leung och kollegor ändrade modellen för att spara vatten.

Att lösa detta problem var bara en av de många utmaningar som teamet stod inför när de utvecklade DOE:s nya programvara:Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Genom att representera många av jordens system och interaktioner i större detalj än någonsin tidigare, de hoppas kunna hjälpa forskare att bättre förstå vår planet idag och i framtiden.

Förstå en föränderlig jord

Jorden har alltid varit och kommer alltid att förändras. Men mänskliga aktiviteter påskyndar dessa förändringar och det råder allmän enighet om att den globala temperaturen stiger. Medan forskare i stort kan förutsäga hur stigande temperaturer kommer att påverka vår värld, beslutsfattare och planerare måste förstå vad som kommer att hända med enskilda städer och stater. Det är där jordens systemmodeller kommer in i bilden.

DOE är intresserad av att förstå hur energiproduktion kan påverka jordens system och vice versa. Samtidigt som energiproduktion kan påskynda klimatförändringarna, stigande temperaturer kan också påverka energiproduktion och energianvändning. Brist på vatten kan minska vattenkraftverkets produktion eller begränsa tillgängligt vatten för kylning av kärnkraftverk.

"DOE och dess föregångare har alltid haft ett uppdrag att förstå miljökonsekvenserna av energiproduktion och användning, sa David Bader, en forskare vid DOE:s Lawrence Livermore National Laboratory och E3SM teamledare. "Vi vet att klimat- och jordsystemet inte är stationära. Det förändras. Vi behöver ett sätt att förstå interaktionerna."

Omfattningen av jordsystemmodeller gör dem unika. Forskare konstruerar en mängd olika program för att simulera olika naturliga system, men jordsystemmodeller sammanför dem alla. De visar hur dessa individuella system – atmosfären, jord, hav, isflak, och mer - interagera. De innehåller också många aspekter av mänsklig aktivitet, såsom produkter från energiproduktion, vattenhantering och användning, och jordbruksförvaltning samt andra förändringar av markanvändning eller marktäckning.

Dessa kombinationer hjälper forskare att förstå det nuvarande och framtida samspelet mellan den naturliga världen och mänskliga aktiviteter. För att säkerställa att en modell korrekt representerar nuet, de jämför modellerade resultat med verkliga observationer. Förutsägelserna som ser decennier in i framtiden hjälper människor som planerar broar eller kraftverk att förstå hur deras långsiktiga val kan påverka eller påverkas av dessa förändringar.

En modell som roterar kring energi

Medan det bara finns en jord, det finns många jordsystemmodeller. E3SM -teammedlemmarna utformade sin modell för att svara på frågor som är relevanta för DOE:s uppdrag.

En av de heliga gralerna när det kommer till energiplanering är att kunna förutse hur och när det regnar, snö, och annan nederbörd faller över land. Klimat- och markanvändningsförändringar kan öka atmosfärens förmåga att hålla fukt och orsaka stormar oftare och intensivare. I kontrast, det kan också leda till mer avdunstning, vilket resulterar i mer torka. Eller mest troligt, båda kan förekomma på olika platser runt om i världen.

Den nya modellen fokuserar på tre områden som har betydande effekter på ytnederbörden, vindar, och temperatur samt energiproduktion:vattnets kretslopp, hur olika jordsystemkomponenter utbyter biogeokemiska flöden, och islagens rörelse och smältning.

"För att förutsäga nederbörd, du behöver verkligen förstå nästan alla andra delar av jordsystemet, "sa Leung." Atmosfären spelar rollen att ansluta allt. Atmosfären är inte lokal."

Att kombinera dessa system till en modell och få den nödvändiga detaljnivån är inget du kan göra på din stationära dator. Istället, det kräver de stora maskinerna - superdatorerna på DOE Office of Science användarfaciliteter. E3SM-programmerare skrev programvaran för att dra full nytta av dessa datorers hårdvara och operativsystem. Teamet designar också den så att de kan uppgradera modellen för att köras på DOE:s framtida exascale-datorer. Dessa datorer kommer att vara 50 gånger starkare än dagens snabbaste datorer.

Med hjälp av dessa datorer, modellen kommer att kunna ge mycket mer detaljer än tidigare jordsystemmodeller. Teamet förväntar sig att E3SM kommer att erbjuda dubbelt så hög detaljnivå med hjälp av Oak Ridge Leadership Computing Facilitys (en DOE Office of Science användaranläggning) nya superdatormöte, jämfört med nuvarande modeller. Beroende på behovet, det kan också erbjuda samma mängd övergripande detaljer i de flesta av världen, samtidigt som den ger extremt hög upplösning i specifika områden. Denna regionalt förfinade resolution kommer att tillåta forskare att titta på effekter på en mycket mer regional basis. Det kan hjälpa dem att bättre förstå mänskliga aktiviteter, som jordbruk, som varierar från plats till plats.

Denna datorkraft gör det också möjligt för dem att köra 10 gånger så många simuleringar som de kan för närvarande.

"Vi kan nu göra fler simuleringar med mindre resurser, sa Mark Taylor, en forskare vid DOE:s Sandia National Laboratories och E3SM Chief Computational Scientist.

Att köra programmet på exascale-datorer kommer att tillåta ännu större hopp i modellens komplexitet och detaljer.

Hur man skapar ett verktyg som ser in i framtiden

Att bygga en modell som är så komplicerad är som att bygga om en bil. Du kanske börjar med samma ram, men när du finjusterar några gamla delar, byta ut andra mot nya, och få det hela att fungera tillsammans, det ser ut och fungerar helt annorlunda.

Att börja med, laget arbetade med en befintlig jordsystemmodell - Community Earth System Model.

Den största utmaningen med Community Earth System Model – och alla befintliga jordsystemmodeller – är att det finns områden där simuleringar konsekvent är felaktiga. Medan deras modellering i stort stämmer överens med bevisen, vissa detaljer stämmer inte riktigt med observationer.

Tyvärr, dessa problem har ingen enkel lösning.

"Det är inte så att du kan ändra en sak och den rättar till. Du ändrar en sak och du brukar göra något annat värre eftersom systemet är sammankopplat, "sa Bader. Precis som den verkliga jordens system.

Det finns flera vägar som modellerare följer för att minska dessa fel.

Att revidera basmodellen är det mest logiska stället att börja. Forskare kan ofta förbättra modeller genom att anpassa fysikekvationerna och ekologiska teorier som är baserade på forskningsresultat. Observationsdata, såsom från DOE Office of Sciences ARM Climate Research Facility, ger regelbundet nya insikter.

Att byta ut befintliga undermodeller mot nya, mer exakta är ett annat tillvägagångssätt. E3SM -teamet åtog sig den enorma uppgiften att utveckla fyra separata, helt nya undermodeller som representerar floder, det globala havet, havs is, och landis.

"Det finns processer som normalt inte har representerats i någon jordsystemmodell runt om i världen, sa Leung, med hänvisning till flodmodellen. "Utan dessa delar, vi saknar några av de viktiga länkarna i den globala energin, vatten, och biogeokemiska cykler. "

Men att lägga till dessa nya modeller är inte en fråga om klipp-och-klistra. Forskare måste koppla dem exakt så att förändringar i en korrekt påverkar de andra.

"Du byter ut alla dessa komponenter och du hoppas att den här modellen kommer att fungera bättre än tidigare. Men det är inte ren tur. Du måste verkligen gå tillbaka till grunderna, " sa Leung.

I likhet med problemet med "saknat vatten", laget stod inför en liknande utmaning med sin havsmodell. Efter att de bytte ut den, de såg att hela jordsystemet inte simulerade El Nino-södra oscillationen, ett stort inflytande på vädermönstren. Teamet insåg att atmosfären och havsmodellerna representerade förhållandet mellan vind- och vattenrörelser i havet på ett annat sätt än vad observationer gjorde. För att göra båda mer exakta, de reviderade processerna för att matcha varandra.

Ständig förbättring, Experimenterar någonsin

Allt detta hårda arbete gav resultat när teamet släppte den första versionen av modellen i april. Men de är långt ifrån klara. Faktiskt, de räknar med att producera minst tre versioner till i framtiden.

De förbättrar redan den nuvarande modellen genom att modifiera delmodellerna i den. Forskare har publicerat en artikel som tittar på hur man kan förbättra hur flodmodellen representerar översvämningar i Amazonas. Genom att använda topografiska data om flodkanaler och information om hur vatten flyter mellan land och flod, de kunde göra undermodellen mer exakt. En annan studie beskriver hur flodmodellen bättre skulle kunna visa hur och när olika samhällssektorer använder ytvatten och grundvatten.

På samma gång, forskare använder den nuvarande modellen för att köra en serie experiment. När de slutar, de kommer att släppa modell "data" på DOE Earth System Grid Federation dataarkiv med modellresultat. Projektet har också gjort sin kod allmänt tillgänglig via den populära programmeringswebbplatsen GitHub.

När projektet fortsätter, forskare arbetar för att få en tydligare inblick i vår jords framtid än någonsin tidigare.

"Alla dessa modeller representerar den kumulativa kunskap som vi har fått under de senaste 40 åren, "sa Bader." Det har resulterat i både bättre förståelse och därmed representation av både energi- och jordsystemsprocesser. Den är mycket mer komplett än tidigare modeller."