Calcoli per il clima (parte 2): Come funzionano i moderni modelli climatici

Le simulazioni al computer consentono di effettuare previsioni meteorologiche quotidiane e rivestono un'enorme importanza quando si tratta di affrontare le sfide del cambiamento climatico. Per comprendere e prevedere il comportamento del sistema climatico, gli scienziati costruiscono e utilizzano complessi modelli al computer che tengono conto delle proprietà chimiche e fisiche della superficie terrestre (terra e oceani) in forma semplificata. Ma come funzionano esattamente i modelli climatici e quali implicazioni hanno per l'informatica?

Calcolo su griglie tridimensionali

Analogamente ai primi sforzi di Richardson (cfr. Parte 1 di questa doppia puntata), i moderni modelli climatici si estendono su una griglia di calcolo tridimensionale su Chi siamo. Questo permette di calcolare le leggi fisiche che influenzano l'atmosfera: In ogni cella della griglia sono presenti valori di velocità del vento, temperatura, pressione, umidità relativa e concentrazioni di componenti dell'atmosfera (soprattutto vapore acqueo, ma anche altri gas e aerosol), che insieme definiscono lo stato attuale dell'atmosfera in quell'area. Più piccola è la cella della griglia, più alta è la risoluzione del modello. Tenendo conto delle leggi della fisica, un programma informatico calcola passo dopo passo tutti i valori dei futuri stati dell'atmosfera. Per aggiornare i valori in una particolare cella, il software richiede anche informazioni dalle celle vicine. Tali programmi sono spesso definiti programmi stencil [1]. Poiché il tempo di calcolo e i requisiti di memoria aumentano linearmente con il numero di celle della griglia, l'implementazione parallela efficiente dei programmi stencil è un importante tema di ricerca del Laboratorio di calcolo parallelo scalabile. SPCL. Le seguenti referenze forniscono un'introduzione alla modellazione climatica e alla simulazione di un tornado: [2], [3].

Mantenere milioni di processori in movimento

Quando si modella un codice climatico e meteorologico su una macchina ad alta scala come il Piz Daint del Centro Svizzero di Calcolo Scientifico pagina esternaCSCS Per implementare il programma stencil, dobbiamo parallelizzarlo in modo che possa essere eseguito su milioni di elementi di elaborazione. In collaborazione con MeteoSvizzera e il CSCS, uno studente dell'SPCL, Tobias Gysi, ha sviluppato un linguaggio di programmazione specializzato che consente ai meteorologi di adattare i programmi stencil con estrema facilità e, allo stesso tempo, agli informatici di parallelizzare e ottimizzare l'esecuzione dei programmi. Questo linguaggio specifico per il dominio (DSL) separa così il lavoro del meteorologo, che definisce l'effettivo problema di calcolo scientifico, da quello dell'informatico, che ottimizza il calcolo da eseguire. L'ottimizzazione di tali linguaggi specifici per il dominio in modo efficiente e automatico per hardware eterogeneo è un importante compito di ricerca per l'informatica.

Un'altra area di ricerca è la memorizzazione e la gestione delle enormi quantità di dati che vengono generate durante una singola simulazione. Parametri come la pressione e la velocità del vento vengono memorizzati per ogni punto della griglia e per ogni passo temporale. Si ipotizza che il volume dei dati possa raggiungere gli exabyte nel prossimo futuro (10¹⁸ byte, che corrisponde a 1.000.000 di dischi rigidi da 1 TB). Ciò richiede nuove tecnologie ad alte prestazioni per la generazione e la gestione dei dati e per le analisi online. MeteoSvizzera, il CSCS e l'ETH di Zurigo stanno affrontando queste sfide in una collaborazione finanziata dal Fondo Nazionale Svizzero nell'ambito del programma Sinergia. [4]

Modellazione dei cambiamenti climatici su Chi siamo e sull'Europa

Recentemente è stata completata una simulazione completa dell'estate europea [5], [4]. Utilizza una griglia di calcolo di 500 x 500 x 60 punti griglia con una risoluzione orizzontale di 2,2 km e copre un periodo di 30 anni. Per gestire in modo efficiente le enormi quantità di dati coinvolti, è stata archiviata solo una piccola parte dell'output. Tuttavia, l'archivio comprende più di 120 TB. La simulazione è stata effettuata utilizzando una versione convenzionale del modello COSMO e ha richiesto un anno e mezzo di tempo di calcolo sul supercomputer Monte Rosa del CSCS.

In seguito, vogliamo effettuare simulazioni simili con la versione di COSMO dotata di GPU; questa volta, però, la modellazione dovrebbe coprire l'intero continente europeo con un'area di calcolo dieci volte più grande (vedi figura e animazione in Parte 1). Verrà utilizzata anche un'architettura hardware più recente (Cray XC30, Piz Daint) [3]. Piz Daint ha una prestazione di picco notevole, pari a 6 x 10¹⁵flop/s (operazioni in virgola mobile al secondo) e ha un totale di 5.272 nodi di calcolo. Poiché la nostra attuale implementazione della versione COSMO GPU richiede solo 144 nodi (cioè il tre per cento), l'espansione prevista dell'area di calcolo è un obiettivo molto realistico.

Con questi calcoli vogliamo capire e prevedere meglio il ciclo dell'acqua, compresi gli eventi di precipitazione estrema. Le simulazioni nella regione alpina hanno già prodotto risultati interessanti che difficilmente sarebbero credibili se si basassero su ipotesi semi-empiriche. I risultati indicano che la quantità media di precipitazioni estive diminuirà di circa il 30% entro la fine del secolo, mentre la frequenza di forti temporali e rovesci aumenterà notevolmente. In altre parole, si ipotizza che aumenteranno gli eventi estremi ai due estremi dello spettro, cioè sia la siccità che le inondazioni improvvise. I risultati di questi esperimenti possono essere interessanti per l'adattamento ai cambiamenti climatici: Perché gli eventi di pioggia intensa a breve termine hanno conseguenze sul modo in cui dovremmo gestire le forniture idriche e proteggerci dalle inondazioni.

La cooperazione promuove la scienza del clima

La previsione del tempo e del clima non richiede solo computer potenti, ma anche una stretta collaborazione tra scienza del clima e informatica. Le architetture hardware eterogenee sono essenziali per le moderne simulazioni, ma richiedono un approccio fondamentalmente nuovo allo sviluppo del software. L'attuale versione del modello COSMO è l'unico modello meteorologico e climatico regionale disponibile al mondo in grado di funzionare interamente su GPU. Questi progressi e le prospettive che ne derivano sono il frutto di una stretta collaborazione interdisciplinare tra il CSCS, MeteoSvizzera, il C2SM e i Dipartimenti di scienze informatiche e scienze dei sistemi ambientali dell'ETH di Zurigo.

Torsten Hoefler ha scritto questo post insieme a Christoph Sch?r (ETH di Zurigo) e Oliver Fuhrer (MeteoSvizzera).