Calcoli per il clima (Parte 1): Evoluzione dei modelli

Le previsioni del tempo e, su scala più ampia, del clima sono un processo complesso. Le attuali osservazioni locali e globali vengono inserite in programmi informatici specializzati, che modellano le condizioni meteorologiche future. I risultati di queste simulazioni non sono importanti solo per il bollettino meteorologico quotidiano, ma forniscono anche risposte a domande sul cambiamento climatico, come l'adattamento (come affrontare il clima futuro?) e le misure di protezione (come mitigare il cambiamento climatico?).

Il matematico e meteorologo britannico Lewis F. Richardson tentò di "calcolare" il tempo già nel 1917. La sua potenza di calcolo consisteva in una forza lavoro immaginaria di 64.000 persone, che insieme rappresentavano il primo "computer" parallelo di massa. Richardson sviluppò un'ampia serie di tabelle che fungevano da semplice memoria distribuita (con i singoli "computer" che inserivano i numeri a mano). Si occupò anche di parallelizzazione, comunicazione e sincronizzazione, tutti temi centrali della moderna simulazione climatica.

Una questione di risoluzione

Richardson aveva già modellato l'atmosfera con una griglia di calcolo tridimensionale per risolvere una forma semplificata delle equazioni fluidodinamiche su un pianeta in rotazione - in altre parole, per calcolare il clima - in modo molto simile a come lo facciamo oggi. Tuttavia, le prime simulazioni realistiche arrivarono solo più tardi, negli anni Cinquanta. A quel tempo si lavorava ancora con una risoluzione di circa 800 chilometri. Una svolta importante si è avuta alla fine degli anni '70, quando la risoluzione dei modelli globali è stata portata a circa 100 km. Ciò ha reso possibili previsioni meteorologiche fino a cinque giorni, perché per la prima volta è stato possibile trattare in modo appropriato i sistemi di alta e bassa pressione. Prima di allora erano possibili solo previsioni per un giorno.

Oggi stiamo affrontando la prossima sfida: da una risoluzione di 1 km è possibile modellare chiaramente le nubi convettive (che causano temporali e rovesci di pioggia). Ora rappresentiamo la dinamica di questi sistemi atmosferici in scala fine utilizzando leggi fisiche anziché metodi di approssimazione semiempirici come in passato. Tali simulazioni di precisione chilometrica sono già utilizzate nelle previsioni meteorologiche operative e, sempre più spesso, anche nella ricerca sul clima. Numerosi studi hanno dimostrato che il ciclo dell'acqua e i suoi fenomeni estremi possono essere adeguatamente rappresentati. Si spera inoltre che la risoluzione chilometrica aumenti l'accuratezza dei modelli climatici. Gli ultimi risultati di una simulazione su Chi siamo [1] illustrano i vantaggi dell'alta risoluzione e sostengono queste prospettive future (vedi figura).

Queste simulazioni sono state effettuate utilizzando il modello COSMO [2]. COSMO è un complesso programma informatico sviluppato da centinaia di ricercatori in collaborazione internazionale nel corso di decenni. Il programma viene eseguito su computer supercalcolatori e comprende Chi siamo.'000 linee di codice sorgente. ? utilizzato da molti centri meteorologici europei, tra cui MeteoSvizzera, e da circa 200 scienziati di varie università e centri climatici, come il Center for Climate Systems Modelling. C2SM presso l'ETH di Zurigo.

Sviluppare modelli di calcolo migliori

I supercalcolatori ad alte prestazioni, noti anche come supercomputer, superano i limiti delle nostre capacità di calcolo. Utilizzano processori multi-core specializzati e unità di elaborazione grafica (GPU). Raggiungere le massime prestazioni su questi sistemi massivamente paralleli è una sfida chiave per l'informatica. La specializzazione può anche far risparmiare molto denaro ed energia: Passando a un'architettura eterogenea basata su GPU nel sistema Piz Kesch [3], ad esempio, il servizio meteorologico svizzero MeteoSvizzera è riuscito a migliorare l'efficienza energetica delle sue previsioni operative di oltre tre volte. Questa macchina di calcolo è ora utilizzata per le previsioni meteorologiche giornaliere.

Tuttavia, programmare in modo efficiente sistemi informatici eterogenei è ancora una sfida importante: sono necessarie nuove intuizioni e strumenti. L'architettura delle GPU segue principi di progettazione completamente diversi rispetto ai processori tradizionali e costringe il programmatore a esprimere il massiccio parallelismo in un linguaggio specializzato come CUDA. Questo è fondamentalmente diverso dal modo in cui abbiamo scritto il codice negli ultimi 30 anni. Il mio gruppo, il Laboratorio di calcolo parallelo scalabile SPCL,Il Politecnico federale di Zurigo mira ad aumentare ulteriormente le prestazioni raggiunte e sta lavorando a metodi di programmazione di supercomputer eterogenei altamente scalabili nell'ambito del progetto "Platform for Advanced Scientific Computing" (PASC) [4]. L'obiettivo di PASC è quello di modernizzare il calcolo ad alte prestazioni (HPC) in Svizzera. I risultati vengono discussi all'omonima conferenza annuale. [5]

Torsten Hoefler ha scritto questo post insieme a Christoph Sch?r (ETH di Zurigo) e Oliver Fuhrer (MeteoSvizzera). Nel loro prossimo post, "Calcolo per il clima (parte 2)", gli autori spiegano come funzionano i moderni modelli climatici.