En digital tvilling till vår planet är att simulera jordsystemet i framtiden. Det är avsett att stödja beslutsfattare att vidta lämpliga åtgärder för att bättre förbereda sig för extrema händelser. Ett nytt strategidokument från europeiska forskare och datavetare från ETH Zürich visar hur detta kan uppnås.

Att bli klimatneutral 2050, Europeiska unionen lanserade två ambitiösa program:Green Deal och Digital Strategy. Som en nyckelkomponent i deras framgångsrika implementering, klimatforskare och datavetare lanserade initiativet Destination Earth, som startar i mitten av 2021 och beräknas pågå i upp till tio år. Under denna period, en mycket exakt digital modell av jorden ska skapas, en digital tvilling av jorden, att kartlägga klimatutvecklingen och extrema händelser så noggrant som möjligt i rum och tid.

Observationsdata kommer kontinuerligt att införlivas i den digitala tvillingen för att göra den digitala jordmodellen mer exakt för att övervaka utvecklingen och förutsäga möjliga framtida banor. Men förutom de observationsdata som konventionellt används för väder- och klimatsimuleringar, forskarna vill också integrera ny data om relevanta mänskliga aktiviteter i modellen. Den nya jordsystemmodellen kommer att representera praktiskt taget alla processer på jordens yta så realistiskt som möjligt, inklusive människors inflytande på vatten, mat och energihantering, och processerna i det fysiska jordsystemet.

Informationssystem för beslutsfattande

Jordens digitala tvilling är tänkt att vara ett informationssystem som utvecklar och testar scenarier som visar en mer hållbar utveckling och därmed bättre informerar politik. "Om du planerar en två meter hög vall i Nederländerna, till exempel, Jag kan gå igenom data i min digitala tvilling och kontrollera om vallen med all sannolikhet fortfarande kommer att skydda mot förväntade extrema händelser 2050, säger Peter Bauer, biträdande forskningsdirektör vid European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) och medinitiator till Destination Earth. Den digitala tvillingen kommer också att användas för strategisk planering av färskvatten och livsmedelsförsörjning eller vindkraftsparker och solenergianläggningar.

Drivkrafterna bakom Destination Earth är ECMWF, Europeiska rymdorganisationen (ESA), och Europeiska organisationen för exploatering av meteorologiska satelliter (EUMETSAT). Tillsammans med andra forskare, Bauer driver klimatvetenskapen och de meteorologiska aspekterna av jordens digitala tvilling, men de förlitar sig också på kunskapen hos datavetare från ETH Zürich och Swiss National Supercomputing Center (CSCS), nämligen ETH-professorerna Torsten Hoefler, från Institutet för högpresterande datorsystem, och Thomas Schulthess, Direktör för CSCS.

För att ta detta stora steg i den digitala revolutionen, Bauer betonar behovet av att geovetenskaper ska vara gifta med datavetenskap. I en färsk publikation i Nature Computational Science , teamet av forskare från jord- och datavetenskapen diskuterar vilka konkreta åtgärder de skulle vilja använda för att främja denna "digitala revolution av jordsystemvetenskaperna, " där de ser utmaningarna och vilka möjliga lösningar som kan hittas.

Väder- och klimatmodeller som grund

I deras tidning, forskarna ser tillbaka på den stadiga utvecklingen av vädermodeller sedan 1940-talet, en framgångssaga som utspelade sig tyst. Meteorologer var pionjärer, så att säga, simuleringar av fysiska processer på världens största datorer. Som fysiker och datavetare, CSCS:s Schulthess är därför övertygad om att dagens väder- och klimatmodeller är idealiska för att identifiera helt nya sätt för många fler vetenskapliga discipliner hur man använder superdatorer effektivt.

Förr, väder- och klimatmodellering använde olika metoder för att simulera jordsystemet. Medan klimatmodeller representerar en mycket bred uppsättning fysiska processer, de försummar vanligtvis småskaliga processer, som, dock, är avgörande för de mer exakta väderprognoserna som i sin tur, fokusera på ett mindre antal processer. Den digitala tvillingen kommer att sammanföra båda områdena och möjliggöra högupplösta simuleringar som skildrar de komplexa processerna i hela jordsystemet. Men för att uppnå detta, koderna för simuleringsprogrammen måste anpassas till ny teknik som lovar mycket förbättrad datorkraft.

Med de datorer och algoritmer som finns tillgängliga idag, de mycket komplexa simuleringarna kan knappast utföras med den planerade extremt höga upplösningen på en kilometer eftersom det i årtionden, kodutvecklingen stagnerade ur ett datavetenskapligt perspektiv. Klimatforskningen gynnades av att kunna få högre prestanda med hjälp av nya generationer av processorer utan att behöva ändra sitt program i grunden. Denna gratis prestandavinst med varje ny processorgeneration upphörde för cirka 10 år sedan. Som ett resultat, Dagens program kan ofta bara utnyttja 5 procent av toppprestanda hos konventionella processorer (CPU).

För att uppnå de nödvändiga förbättringarna, författarna betonar behovet av co-design, dvs utveckla hårdvara och algoritmer tillsammans och samtidigt, som CSCS framgångsrikt visat under de senaste tio åren. De föreslår att man ska ägna särskild uppmärksamhet åt generiska datastrukturer, optimerad rumslig diskretisering av rutnätet som ska beräknas och optimering av tidsstegslängderna. Forskarna föreslår vidare att separera koderna för att lösa det vetenskapliga problemet från de koder som optimalt utför beräkningen på respektive systemarkitektur. Denna mer flexibla programstruktur skulle möjliggöra en snabbare och mer effektiv övergång till framtida arkitekturer.

Dra nytta av artificiell intelligens

Författarna ser också stor potential inom artificiell intelligens (AI). Det kan användas, till exempel, för dataassimilering eller bearbetning av observationsdata, representationen av osäkra fysiska processer i modellerna och datakomprimering. AI gör det alltså möjligt att snabba upp simuleringarna och filtrera bort den viktigaste informationen från stora datamängder. Dessutom, forskarna antar att användningen av maskininlärning inte bara gör beräkningarna mer effektiva, men kan också hjälpa till att beskriva de fysiska processerna mer exakt.

Forskarna ser deras strategidokument som en startpunkt på vägen till jordens digitala tvilling. Bland de datorarkitekturer som är tillgängliga idag och de som förväntas inom en snar framtid, superdatorer baserade på grafikprocessorer (GPU) verkar vara det mest lovande alternativet. Forskarna uppskattar att drift av en digital tvilling i full skala skulle kräva ett system med cirka 20, 000 GPU:er, förbrukar uppskattningsvis 20MW effekt. Av både ekonomiska och ekologiska skäl, en sådan dator bör användas på en plats där CO ₂ -neutral genererad el finns tillgänglig i tillräckliga mängder.