Моделирование на суперкомпьютере Titan показывает важность тесной двусторонней связи между человеческой и земной системами

Новая интегрированная вычислительная климатическая модель, разработанная для снижения неопределённости в прогнозах будущего климата, стала первым успешным опытом объединения моделей земных систем с энергетическими и экономическими моделями, а также данными о глобальном влиянии человека. Интегрированная модель земных систем (iESM) используется для изучения взаимодействий между физической климатической системой, биологическими компонентами Земли и человеческими системами.

Используя суперкомпьютеры, такие как Titan, большая междисциплинарная команда учёных под руководством Питера Торнтона из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США получила вычислительную мощность, необходимую для интеграции массивных кодов, объединяющих физические и биологические процессы в системе Земли с обратными связями от человеческой деятельности.

«Разработанная и применённая нами модель связывает биосферные обратные связи от океанов, атмосферы и суши с деятельностью человека, такой как выбросы от ископаемого топлива, сельское хозяйство и землепользование, что устраняет важные источники неопределённости из прогнозируемых климатических результатов», — заявил Торнтон.

Через программу Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge команде Торнтона было выделено 85 миллионов часов вычислений для улучшения проекта ACME (Accelerated Climate Modeling for Energy). В настоящее время участники ACME сосредоточены на создании передовой климатической модели, способной смоделировать 80 лет исторической и будущей климатической изменчивости менее чем за 3 недели вычислений.

Проект, находящийся на третьем году реализации, достиг нескольких вех, включая разработку ACME версии 1 и успешное включение человеческого фактора в одну из её компонентных моделей — iESM. «ACME уникален тем, что он выводит систему на более высокое разрешение, чем когда-либо предпринималось ранее, и движется к более комплексным симуляциям, включая человеческое измерение», — отметил Торнтон.

Связь с человеком

До сих пор исследователям не удавалось напрямую связать крупномасштабную деятельность человека с моделью земных систем. Новизна iESM может ознаменовать новую эру комплексного моделирования, снижающего неопределённость за счёт учёта немедленных обратных связей с социально-экономическими переменными.

Наряду с iESM, команда ACME усовершенствовала компоненты кода, описывающие сушу, атмосферу и океан. Возможно, наиболее значительным продвижением стало введение в код цикла фосфора — важнейшего питательного вещества для жизни. ACME версии 1 стала первой глобальной моделью земных систем, включающей эту динамику.

Помимо увеличения разрешения модели, постоянная настройка и оптимизация ACME приблизила команду к цели моделирования 80 лет за 3 недели. Благодаря усовершенствованиям команда теперь может запускать около 3–4 смоделированных лет в день, что примерно вдвое больше, чем в ранних версиях кода. Повышенное использование графических процессоров (GPU) суперкомпьютера Titan помогает проекту выйти на новый уровень производительности.

Для следующего шага в развитии iESM представление поверхности суши в связанных моделях должно стать более согласованным. Команда также намерена включить другие измерения, включая управление водными ресурсами, сельскохозяйственную продуктивность и структуры цен на товары. Это даст лучшую информацию о потенциальных изменениях в доступности и распределении водных ресурсов при различных климатических сценариях.

ACME версии 1 будет публично выпущена в конце 2017 года для анализа и использования другими исследователями. Результаты модели также войдут в проект сравнения сопряжённых моделей (CMIP), который предоставляет базовые материалы для отчётов об оценке изменения климата.