Самая реалистичная климатическая модель из когда-либо созданных

Прогнозирование погоды всегда было трудным и почти непредсказуемым делом. наука. Но когда мы говорим о моделировании климата Земли, все становится еще сложнее. Тем не менее, прогресс последних лет на двух важнейших направлениях — точности моделей и взрывном росте вычислительных мощностей — приблизил учёных как никогда к «предсказанию» будущего нашей планеты.

Исследовательская группа под руководством Дэниел Клок из Институт Макса Планка объявляет о чрезвычайно важном достижении в области моделирования климата: модели цифрового двойника Земли с разрешением почти в один километр.

Технически новая модель работает в масштабе 1,25 километра, и эта деталь вряд ли имеет значение, когда мы говорим о чем-то такой точности. Чтобы охватить каждый дюйм планеты, суши и моря, исследователи использовали 336 миллионов «ячеек», а также добавили такое же количество ячеек «атмосферы» для имитации того, что происходит над землей. В общей сложности их цифровая копия Земли состоит из 672 миллионов симуляционных единиц.

Настоящая инновация заключается не только в анализе, но и в том, как модель объединяет два разных мира: «быструю» и «медленную» системы Земли.

«Быстрые» системы, такие как энергетический и водный цикл (т.е. погода), требуют чрезвычайно высокого разрешения, поскольку явления меняются в течение нескольких минут и перемещаются на короткие расстояния. Для их моделирования ученые использовали ICOсаэдрический Негидростатический (ICON), разработанная Немецкой метеорологической службой и Институтом метеорологии Макса Планка.

С другой стороны, «медленные» системы, такие как углеродный цикл или изменения в биоразнообразии и химии океана, развиваются в течение нескольких лет или даже десятилетий. Сочетание этих двух видов процессов является настоящим скачком вперед. До сих пор эти сложные модели могли «работать» только с разрешением в десятки километров из-за огромных вычислительных требований.

Чтобы преодолеть это препятствие, исследователям потребовалось сочетание сложного программного обеспечения и новейших технологий. технология процессорам. Оригинальная модель была написана на Фортранязык программирования, который из-за своего возраста вызывал головную боль у поколений ученых. С годами он был загроможден надстройками, которые сделали его громоздким и непригодным для использования в современных системах.

Решение пришло через фреймворк Параллельное программирование, ориентированное на данные (DaCe), который обеспечивает эффективное управление данными в параллельных вычислительных архитектурах. Таким образом, модель теперь могла «работать» на современных суперкомпьютерах.

Эти суперкомпьютеры были ЮПИТЕР в Германии и Альпы в Швейцарии, оба оснащены новым Чип GH200 Грейс Хоппер от Нвидиа. Каждый чип сочетает в себе графический процессор типа Hopper (аналогичный тем, которые используются для обучения искусственного интеллекта) и процессор ARM Grace. Такое разделение позволяет графическим процессорам обрабатывать «быстрые» процессы, такие как моделирование погоды, в то время как центральные процессоры обрабатывают «более медленные» долгосрочные процессы климатической системы.

Всего в модели использовалось 20 480 таких суперчипов, что позволило смоделировать климатические данные за 145,7 дней всего за один день в реальном времени. Чтобы добиться этого, ему пришлось вычислить почти триллион переменных, и это число объясняет, почему такое моделирование невозможно запустить в простом метеорологическом центре.

Конечно, использование такого специализированного оборудования означает, что модели такого уровня еще не скоро заменят инструменты повседневного прогнозирования погоды. Требуемая вычислительная мощность огромна, и большинство суперкомпьютеров сегодня используются для более коммерческих приложений, таких как обучение производству. ИИ модели.

В будущем, когда вычислительные возможности будут продолжать расти, такие цифровые двойники Земли могут стать рутинным инструментом, помогающим нам прогнозировать и потенциально предотвращать наихудшие сценарии изменения климата.