Ein Computerteam unter der Leitung von Sandia National Laboratories, das sich auf die Genauigkeit von Klimavorhersagen konzentriert, hat kürzlich einen wichtigen Meilenstein mit einem wolkenauflösenden Modell erreicht, das sie auf Frontier, dem weltweit ersten Exascale-Supercomputer, ausgeführt haben.
„Wir haben das erste globale Wolkenauflösungsmodell entwickelt, um das Klima eines Weltjahres an einem Tag zu simulieren“, sagte Sandia-Forscher Mark Taylor, leitender Computerwissenschaftler des Energy Exascale Earth System Model oder E3SM, eines Projekts mit acht Laboren, das von unterstützt wird das Wissenschaftsbüro des Energieministeriums für die Entwicklung fortgeschrittener Klimamodelle. „Wir läuten eine neue Ära der Genauigkeit ein.“
Das E3SM-Modell simuliert kritische Aspekte des Klimasystems der Erde, die sich in den kommenden Jahrzehnten auf die Bedingungen in den Vereinigten Staaten auswirken könnten, darunter extreme Temperaturen, Dürren, Überschwemmungen und ein Anstieg des Meeresspiegels.
Wolken spielen eine entscheidende Rolle im Klimasystem der Erde und beeinflussen Wettermuster und Niederschläge. „Herkömmliche Modelle des Erdsystems haben Schwierigkeiten, Wolken genau darzustellen“, sagte Taylor. „Denn sie können die kleine Umwälzbewegung in der Atmosphäre, die für die Wolkenbildung verantwortlich ist, nicht simulieren und verlassen sich stattdessen auf komplexe Annäherungen dieser Prozesse.“
Die E3SM-Gruppe entwickelte ein verbessertes wolkenauflösendes Atmosphärenmodell namens SCREAM für Simple Cloud Resolving E3SM Atmosphere Model. „Dieses Programm der nächsten Generation hat das Potenzial, größere systematische Fehler bei den Niederschlägen, die in aktuellen Modellen gefunden werden, erheblich zu reduzieren“, sagte Taylor, „aufgrund seiner realistischeren und expliziteren Behandlung von Konvektionsstürmen und den atmosphärischen Bewegungen, die für die Wolkenbildung verantwortlich sind.“
Aber das neue Modell allein war nicht genug. Das Ausführen einer Simulation, die Wolken weltweit über viele Jahrzehnte auflöst, erfordert enorme Rechenressourcen, um in einer angemessenen Zeit ausgeführt zu werden. Ein Exascale-Computer, der mehr als eine Trillion Berechnungen pro Sekunde ausführt – das ist die Ziffer 1 gefolgt von 18 Nullen – war genau das, was benötigt wurde.
Frontier, das unter der Schirmherrschaft des DOE im Oak Ridge National Laboratory gebaut wurde, erfüllt diese Rechnung mit mehr als 9.000 Rechenknoten. Ein E3SM-Team bei Sandia arbeitete daran, sicherzustellen, dass SCREAM auf Frontier, anderen GPU-basierten Systemen und konventionelleren CPU-basierten Supercomputern gut läuft.
Frontier soll noch in diesem Jahr eine produktionsreife Maschine werden und beginnt gerade erst, sich für allgemeine Benutzer zu öffnen. Durch das Exascale Computing Project des DOE hatten die E3SM-Entwickler ein 10-Tage-Fenster, um die Leistung des neuen SCREAMv1-Modells zu testen, das mit einer globalen Auflösung von 3,25 Kilometern läuft. Sie erreichten eine rekordverdächtige Leistung, wobei die Atmosphärenkomponente mit mehr als einem simulierten Jahr pro Tag lief.
Die GPU-Leistung von SCREAM wird in Verbindung mit der Exascale-Maschine erstmals mehrjährige Klimasimulationen mit einer genaueren Behandlung von Wolken ermöglichen, was zu genaueren Vorhersagen des zukünftigen Wetters und Klimas führt.