EXCLAIM (meteorologie)

EXCLAIM je výzkumná iniciativa Spolkové vysoké technické školy v Curychu (ETHZ) a partnerů, s cílem vyvinout exascale výpočetní a datovou platformu – výpočetní systémy schopné zpracovat alespoň 1018 operací s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu (1 exaFLOPS) – pro modelování počasí a klimatu (podnebí), schopnou simulovat regionální až globální systémy oceán-moře-led-atmosféra-země (anglicky ocean-sea-ice-atmosphere-land) v mnohem větším rozlišení, než bylo dosud možné. Skokovým zvýšením rozlišení umožnit modelování kritických procesů počasí a klimatu, zejména mraků a konvekce a snížit tak nejistoty v předpovědi počasí a prognóze vývoje klimatu.[1]

Účelem tedy je vyvinout nové globální klimatické modely (GCM), které budou integrovat regionální klimatické modely (RCM) ve vysokém rozlišení, přímo simulující bouře, bouřky a hurikány. Vyvinout novou generaci modelů pro předpověď povětrnostních událostí s vyšší přesností, s možností lepšího porozumění klimatickým jevům jako jsou přívalové deště, povodně a krupobití. Modelovat a studovat extrémní povětrnostní události, interakce mezi počasím a klimatem, a dopady silných bouřek na pozadí globálního oteplování, globálních změny klimatu.[2]

Konsorcium

EXCLAIM je iniciativa mezioborová, spolupracují na ní výzkumníci na následujících tématech:[1][2][3]

  • ETHZ
    • environmentální vědy – Katedra environmentálních systémů ETHZ (anglicky Department of Environmental Systems Science, D-​USYS)[4]
    • počítačové vědy – Katedra informatiky ETHZ (anglicky Department of Computer Science, D-​INFK)[5]
    • fyziku – Katedra fyziky ETHZ (anglicky Department of Physics, D-PHYS)[6]
  • modelování klimatických systémů – Centrum pro modelování klimatických systémů při ETHZ (anglicky Center for Climate Systems Modeling, C2SM)[7]
  • superpočítače – Švýcarské národní superpočítačové centrum (anglicky Swiss National Supercomputing Centre, CSCS)[8]
  • datové vědy – Švýcarské centrum datových věd (anglicky Swiss Data Science Center, SDSC)[9][10]
  • materiálové vědy – Švýcarská federální laboratoř pro vědu a technologii materiálů (anglicky Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Empa)[11]
  • meteorologii a klimatologii – švýcarský Federální úřad pro meteorologii a klimatologii (anglicky Federal Office of Meteorology and Climatology, MeteoSwiss)[12]

Mezinárodním partnerem projektu je Německá meteorologická služba (německy Deutscher Wetterdienst, DWD)[13] a Institut Maxe Plancka pro meteorologii (anglicky Max Planck Institute for Meteorology, MPI-​M)[14], kteří společně vyvinuly model ICON (z anglického ICOsahedral Nonhydrostatic) – základ modelu EXCLAIM a také Evropské centrum pro střednědobé předpovědi počasí (anglicky European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF), jehož je Švýcarsko plnoprávným členem. Stejně jako Anglie, Itálie a Německo, další partneři na projektu. Jedná se tak o jedno z nejsilněji zastoupených konsorcií pro vývoj modelů na světě. EXCLAIM uvádí návaznost na předešlou veleúspěšnou spolupráci mezi těmito institucemi a chce ji dále posílit a rozšířit.[1][2]

Cíl

Cílem je snaha o významné zvýšení prostorového rozlišení modelů počasí a klimatu. Pro simulaci globálního počasí a klimatu se všemi regionálními detaily, se nad model Země umisťuje virtuální třírozměrná síť. Pro každou buňku síťového modelu se za pomoci fyzikálních zákonů dopočítávají příslušné klimatické podmínky. V současnosti mají buňky sítí globálních klimatických modelů šířku 50 až 100 kilometrů. V dlouhodobém horizontu je cílem projektu EXCLAIM zvýšit toto rozlišení na jeden kilometr. Dosud bylo možné takto jemnou sítí simulovat jen relativně krátkodobé předpovědi pouze pro regionální počasí. S novými modely s takto jemným rozlišením je záměr simulovat průběh počasí po celém světě.[2]

Navrhovaná platforma EXCLAIM pro modelování a údaje bude založena na modelu ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic), vyvinutém primárně Německou meteorologickou službou (DWD) a Institutem Maxe Plancka pro meteorologii (MPI-M). EXCLAIM dosavadní stav rozšíří o odbornost švýcarských partnerů ve vývoji modelů počasí a klimatu a datových infrastruktur, využívajících nových generací architektur superpočítačů. Projekt se zaměří také na použitelnost a přenositelnost platformy při zachování vysokého výpočetního výkonu a datové propustnosti. To vyžaduje věnování značné pozornosti pro vytvoření efektivních toků zpracování a dat, které se vypořádají s lavinou údajů generovanou modely s vysokým rozlišením. Modelovací platforma bude využívat dva příklady použití (use cases). Ty budou určovat a testovat její vývoj. Jedním bude model pro střední Evropu v měřítku sub-kilometrového rozlišení. Druhým plně propojený model oceán-moře-led-atmosféra-země pokrývající zeměkouli v měřítku kilometrového rozlišení a schopného dosáhnout výpočetní výkonnosti umožňující simulace na desetiletí až staletí.[1]

Infrastruktura

Řešit správně konvektivní systémy, jako jsou bouřky na klimatických modelech s vysokým rozlišením umožňuje například superpočítačový systém ALPS (česky Alpy) ve Švýcarském národním superpočítačovém centru (CSCS) v Luganu. Pro simulaci počasí a klimatu v globálním měřítku pro období několika desítek let s mřížkou o šířce pouhých několika kilometrů ​budou muset nové modely oproti současným pracovat přibližně stokrát rychleji.[2]

Předpokládají se tak také práce na úpravách hardware superpočítačů, jako:

  • zlepšení architektury paralelního zpracování,
  • optimalizace architektury pro řešení potřebných tříd početních úloh.

Jednou takovou cestou by mělo být i využití grafických procesorů (GPU), tedy hybridní architektury.

Také úpravy software by měly sehrát významnou roli. Kód modelu by se měl optimalizovat tak, aby bylo plně využito hybridní architektury.[2] Klíčovou cestou pro realizaci těchto cílů má být refaktorizace stávajících kódů pomocí konceptu doménově orientovaných softwarových frameworků a vyšší úrovně (anglicky high-level) abstrakce kódu.[1]

Počítá se s rozdělením kódu na dvě části, na:

  • rozhraní pro vývojáře a uživatele modelu,
  • algoritmy optimalizované pro daný hardware.

CSCS, MeteoSwiss a C2SM tento přístup s velikým úspěchem (desetinásobné zrychlení modelu) aplikovaly v současném modelu počasí MeteoSwiss. Tento přístup je nyní aplikován také na model počasí a klimatu ICON.[2]

Data a datová exploze jsou dalšími faktory, které infrastrukturní část projektu bude optimalizovat, s cílem zvyšovat datovou propustnost a zkracovat dobu přístupu.

Odkazy

Reference

  1. ↑ a b c d e EXCLAIM Představení otevřeného ETH projektu EXCLAIM.
  2. ↑ a b c d e f g New, high-resolution models merge weather and climate 06.08.2021, Florian Meyer.
  3. ↑ Partner institutions and collaborations Partnerské instituce a spolupráce
  4. ↑ Department of Environmental Systems Science (D-USYS) Domácí stránka Katedry environmentálních systémů při ETHZ
  5. ↑ Department of Computer Science ETHZ (D-INFK) Domácí stránka Katedry informatiky při ETHZ.
  6. ↑ Department of Physics (D-PHYS) Domácí stránka Katedry Fyziky při ETHZ.
  7. ↑ Centre for Climate Systems Modelling C2SM at ETH Zurich (C2SM) Domácí stránka Centra pro modelování klimatických systémů při ETH.
  8. ↑ Swiss National Supercomputing Centre (CSCS) Domácí stránka Švýcarského národního superpočítačového centra.
  9. ↑ C2SM goes SDSC 24.10.2017, ETHZ.
  10. ↑ Swiss Data Science Center (SDSC) Domácí stránka Švýcarského centra datových věd.
  11. ↑ Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) Domácí stránka Švýcarské federální laboratoře pro vědu a technologii materiálů.
  12. ↑ Federal Office of Meteorology and Climatology (MeteoSwiss) Domácí stránka Švýcarského federálního úřadu pro meteorologii a klimatologii.
  13. ↑ Deutscher Wetterdienst (DWD) Domácí stránka Německé meteorologické služby.
  14. ↑ Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M) Domácí stránka Institutu Maxe Plancka pro meteorologii.

Související články

Externí odkazy