Un nouveau modèle climatique informatique intégré développé pour réduire les incertitudes dans les prévisions climatiques futures marque la première tentative réussie de relier les systèmes terrestres avec des modèles énergétiques et économiques et des données d'impact humain à grande échelle. Le modèle intégré du système terrestre, ou iESM, est utilisé pour explorer les interactions entre le système climatique physique, composants biologiques du système Terre, et les systèmes humains.

En utilisant des supercalculateurs tels que Titan, une grande équipe multidisciplinaire de scientifiques dirigée par Peter Thornton du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE) avait la puissance nécessaire pour intégrer des codes massifs qui combinent les processus physiques et biologiques du système terrestre avec les rétroactions de l'activité humaine.

"Le modèle que nous avons développé et appliqué couple les rétroactions biosphériques des océans, atmosphère, et des terres avec des activités humaines, comme les émissions de combustibles fossiles, agriculture, et l'utilisation des terres, qui élimine les sources importantes d'incertitude des résultats climatiques projetés, " dit Thornton, chef du groupe de modélisation des systèmes terrestres de la division des sciences de l'environnement de l'ORNL et directeur adjoint du Climate Change Science Institute de l'ORNL.

Titan est une machine Cray XK7 de 27 pétaflops avec une architecture hybride CPU-GPU gérée par l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science située à l'ORNL.

Grâce au programme Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge, L'équipe de Thornton a reçu 85 millions d'heures de calcul pour améliorer l'effort ACME (Accelerated Climate Modeling for Energy), un projet parrainé par le programme de modélisation du système terrestre au sein du bureau de la recherche biologique et environnementale du DOE. Actuellement, Les collaborateurs de l'ACME se concentrent sur le développement d'un modèle climatique avancé capable de simuler 80 ans de variabilité et de changement climatiques historiques et futurs en 3 semaines ou moins d'effort de calcul.

Maintenant dans sa troisième année, le projet a franchi plusieurs étapes, notamment le développement de la version 1 d'ACME et l'intégration réussie des facteurs humains dans l'un de ses modèles constitutifs, l'IESM.

"Ce qui est unique à propos d'ACME, c'est qu'il pousse le système à une résolution plus élevée que ce qui a été tenté auparavant, " a déclaré Thornton. "Cela pousse également vers une capacité de simulation plus complète en incluant les dimensions humaines et d'autres avancées, produisant les modèles du système terrestre les plus détaillés à ce jour."

La connexion humaine

Pour renseigner ses modèles du système Terre, la communauté de la modélisation climatique utilise depuis longtemps des modèles d'évaluation intégrés, des cadres pour décrire l'impact de l'humanité sur la Terre, y compris la source des gaz à effet de serre mondiaux, l'utilisation des terres et le changement d'occupation des sols, et d'autres facteurs liés aux ressources du changement climatique anthropique.

Jusqu'à maintenant, les chercheurs n'avaient pas été en mesure de coupler directement une activité humaine à grande échelle avec un modèle du système Terre. En réalité, le roman iESM pourrait marquer une nouvelle ère de modélisation complexe et complète qui réduit l'incertitude en incorporant des rétroactions immédiates aux variables socio-économiques pour des prédictions plus cohérentes.

Le développement de l'iESM a commencé avant l'initiative ACME lorsqu'une équipe multilaboratoires visait à ajouter de nouvelles dimensions humaines, telles que la façon dont les gens affectent la planète pour produire et consommer de l'énergie, aux modèles du système terrestre. Le modèle, qui fait maintenant partie de la composante dimensions humaines d'ACME, est en train d'être fusionné avec ACME en vue de la version 2 d'ACME.

Avec iESM, l'équipe ACME a ajouté des améliorations au terrain, atmosphère, et océaniques de leur code. Ceux-ci incluent un cadre plus capable pour calculer le flux cyclique d'éléments chimiques et de composés comme le carbone, azote, et de l'eau dans l'environnement. Le nouveau modèle terrestre ACME comprend un schéma de transport réactif entièrement couplé pour ces processus biogéochimiques. Cette capacité fournira une connexion plus cohérente entre les composants physiques (thermiques et hydrologiques) et biologiques de la simulation.

Peut-être l'avancée la plus importante, cependant, est l'introduction du cycle du phosphore dans le code. Le phosphore est un nutriment essentiel à la vie, passer du sol et des sédiments aux plantes et aux animaux et vice-versa. ACME version 1 est le premier modèle de système terrestre mondial qui inclut cette dynamique.

En plus d'augmenter la résolution du modèle, et ainsi estimer de nouveaux paramètres, Le réglage et l'optimisation continus d'ACME ont rapproché l'équipe de son objectif de vitesse de simulation de 80 ans en 3 semaines. Avec les avancées, l'équipe peut maintenant courir environ 3 ou 4 années simulées par jour, environ deux fois la sortie des versions de code antérieures.

« Le projet global ACME consiste non seulement à développer ces modèles haute résolution, mais également à optimiser leurs performances sur les plates-formes de calcul haute performance dont le DOE dispose, y compris Titan, pour atteindre notre objectif de 5 années simulées par jour, " dit Thornton.

L'utilisation accrue des GPU de Titan aide le projet à atteindre le niveau supérieur. Matthew Norman de l'OLCF travaille avec l'équipe de Thornton pour décharger diverses parties d'ACME sur des GPU, qui excellent dans l'exécution rapide de calculs répétitifs.

"ACME version 2 devrait utiliser beaucoup plus les GPU pour augmenter les performances de simulation, et il y a d'autres projets qui sont des efforts dérivés utilisant ACME qui ciblent Summit [la prochaine machine de classe de leadership de l'OLCF] et les futures plates-formes exascale, " dit Normand.

L'OLCF continue d'aider l'équipe dans la gestion des données via une surveillance avancée et un support d'outils de flux de travail pour aider à réduire le temps dont les chercheurs ont besoin pour obtenir des résultats. Le personnel de l'OLCF, dont les liaisons Valentine Anantharaj et Norman, aident également à diverses tâches comme le débogage, mise à l'échelle, et l'optimisation du code.

"Les liaisons sont cruciales pour nous aider à comprendre où chercher les problèmes lorsqu'ils surviennent et à tirer les meilleures performances du supercalculateur Titan, " dit Thornton.

Pour qu'iESM passe à l'étape suivante, la représentation de la surface terrestre entre les modèles couplés doit devenir plus cohérente. L'équipe vise également à inclure d'autres dimensions, y compris la gestion et le stockage de l'eau, productivité agricole, et les structures de prix des produits de base. Cela fournira de meilleures informations sur les changements potentiels dans la disponibilité des ressources en eau, allocation, et les pénuries sous différents climats.

"Ces améliorations sont vitales car on craint que les ressources en eau douce ne soient le point de pincement qui se fait sentir en premier, " dit Thornton.

La version 1 d'ACME sera publiée fin 2017 pour analyse et utilisation par d'autres chercheurs. Les résultats du modèle contribueront également au projet d'intercomparaison de modèles couplés, qui fournit des éléments de base pour les rapports d'évaluation du changement climatique.