Es war lange Zeit ein Traum für Geowissenschaftler, ein numerisches Modell zu haben, das zusammengesetzte Prozesse auf mehreren Skalen im realen Erdsystem besser darstellen kann. Die Entwicklung eines solchen Modells erfordert nicht nur ein tiefes Verständnis der Physik geofluidischer Bewegungen, sondern auch interdisziplinäre Fortschritte in den Erdwissenschaften und Hochleistungs-Supercomputing sowie Software-Engineering.
„Die erfolgreiche Entwicklung von Erdsystemmodellen mit zulässigen submesoskaligen Wolken und ozeanischen Wirbeln ist ein Meilenstein im Fortschritt des Verständnisses des Erdsystems“, sagte Dr. Lixin Wu.
Shaoqing Zhang, Lixin Wu und Yang Gao, eine Gruppe von Wissenschaftlern der Ocean University of China, haben zusammen mit Shiming Xu, Haohuan Fu, basierend auf dem neu entwickelten Supercomputer „Sunway“ mit heterogener Architektur, der über eine weltweit führende Hochleistungs-Rechenleistung verfügt und Zhao Liu, eine Gruppe von Professoren und Ingenieuren an der Tsinghua University und dem National Wuxi Supercomputing Center, organisierte eine große fachübergreifende Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren, um sich den Herausforderungen zu stellen und neue hochauflösende Erdsystemmodelle zu entwickeln.
Nach der Lösung zahlreicher physikalischer und technischer Probleme entwickelte die große Gruppe erfolgreich eine Reihe hochauflösender gekoppelter Erdsystemmodelle, bestehend aus Atmosphären-Land-Modellen mit 12, 9 und 5 km Auflösung und Ozean-Eis-Modellen mit 15, 10, 5 und 3 km Auflösung Modelle. „Diese Modelle können die Anforderungen von Multiskalen-Interaktionsstudien mit unterschiedlichen Rechenkosten erfüllen“, sagte Dr. Shaoqing Zhang.
Diese hochauflösenden Modelle können bis zu einem gewissen Grad Wolkenzellen und submesoskalige Wirbelfilamente im Ozean simulieren (siehe unten). Daher können sie ein neues Verständnis der Wetter-Klima-Mechanismen aus der Perspektive skalenübergreifender Wechselwirkungen bringen.
„Die aufregendsten Ergebnisse dieser neuen hochauflösenden Modelle sind, dass die wichtigsten Wetter-Klima-Extreme in der Atmosphäre und im Ozean erfasst werden, was die Bedeutung zulässiger Wolken und submesoskaliger Wirbel im Ozean bei der Modellierung tropischer Wirbelstürme und Wechselwirkungen zwischen Eddy-Mean-Strömungen unterstreicht.“ sagte Dr. Shiming Xu und Yang Gao.
„Der neue Hochleistungs-Supercomputer mit heterogener Vielkernarchitektur bringt neue Möglichkeiten für die Klimamodellierung, sobald die Optimierung des Computing mit heterogener Architektur effizient implementiert ist. Der geringe Arbeitsaufwand des Computing mit heterogener Architektur entspricht der ‚grünen‘ Zukunft der Welt“, sagte er Dr. Haohuan Fu und Zhao Liu.
Die neuen hochauflösenden Erdsystemmodelle bilden die Grundlage für zukünftige Bemühungen, den Fortschritt der Geowissenschaften durch die Modellierung komplexerer biogeochemischer Prozesse und des Kohlenstoffkreislaufs aufrechtzuerhalten. „Diese Modelle ebnen [the way] für die weitere Modellentwicklung zur Auflösung feinerer Skalen mit noch höherer Auflösung und realistischerer Physik. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde beispielsweise die Entwicklung eines nichthydrostatischen Erdsystemmodells mit submesoskaliger Auflösung von Wolken und Ozeanen durchgeführt“, sagten Drs. Shaoqing Zhang und Yang Gao.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Review.
Mehr Informationen:
Shaoqing Zhang et al., Modellierung des Erdsystems mit aufgelösten submesoskaligen Wolken und Ozeanen auf heterogenen HPCs mit vielen Kernen, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad069