Nuovi modelli ad alta risoluzione uniscono meteo e clima

Piogge intense, grandinate e inondazioni: Le ultime settimane nella regione alpina e nell'Europa nord-occidentale hanno dimostrato chiaramente l'impatto che possono avere i temporali estremi. Ma in che modo questi eventi meteorologici estremi sono legati al riscaldamento globale? Questa è una domanda chiave per i ricercatori che lavorano sulle interazioni tra tempo e clima e sulla loro modellazione.

I modelli sono un mezzo per comprendere queste interazioni. Rappresentano i processi fisici di base per calcolare gli sviluppi probabili. Tuttavia, con i modelli e le infrastrutture informatiche di oggi, i ricercatori stanno raggiungendo i limiti dell'accuratezza delle loro affermazioni sulle relazioni tra tempo e clima. Per questo motivo l'ETH di Zurigo e i suoi partner hanno lanciato l'iniziativa di ricerca EXCLAIM. L'obiettivo è aumentare in modo significativo la risoluzione spaziale dei modelli per aumentarne la precisione e simulare direttamente il clima in un mondo futuro e caldo su scala globale.

Modellare il tempo atmosferico senza soluzione di continuità nel modello climatico

"Grazie alla loro alta risoluzione, i nuovi modelli globali rappresenteranno processi importanti come le tempeste e i sistemi meteorologici in modo molto più dettagliato rispetto al passato. Questo ci permetterà di analizzare in modo molto più dettagliato come i cambiamenti climatici e gli eventi meteorologici si influenzano a vicenda", afferma Nicolas Gruber, responsabile di EXCLAIM e professore di fisica ambientale.

EXCLAIM è interdisciplinare: oltre ai ricercatori sul clima dell'ETH Centre for Climate Modelling (C2SM), l'ETH, il Centro nazionale di supercalcolo svizzero (pagina esternaCSCS), il Centro svizzero di scienza dei dati (pagina esternaSDSC), l'Istituto di ricerca pagina esternaEmpa e l'Ufficio federale di meteorologia e climatologia. pagina esternaMeteoSvizzera. La collaborazione non dovrebbe migliorare solo la modellazione della ricerca sul clima, ma anche le previsioni meteorologiche di MeteoSvizzera. Tra i partner internazionali del progetto c'è il Servizio meteorologico tedesco (pagina esternaDWD) e l'Istituto Max Planck per la meteorologia (pagina esternaMPI-M), che ha sviluppato il sistema di modellazione pagina esternaICONA (Icosahedral Nonhydrostatic), che costituisce la base di EXCLAIM, e del Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio raggio (pagina esternaEZMW), di cui la Svizzera è membro a pieno titolo.

I ricercatori puntano a un vero e proprio salto di qualità nella risoluzione spaziale dei modelli meteorologici e climatici: Per simulare il tempo e il clima globale con tutti i suoi dettagli regionali, i loro modelli sovrappongono una griglia virtuale tridimensionale sul globo. Sulla base di leggi fisiche, i ricercatori calcolano poi le rispettive condizioni climatiche per ogni punto dei loro modelli. Nei modelli climatici globali di oggi, questi punti distano tra loro dai 50 ai 100 chilometri. In EXCLAIM, i ricercatori puntano a una risoluzione di un solo chilometro nel lungo periodo.

Poiché la potenza di calcolo degli attuali supercalcolatori ad alte prestazioni è limitata, è stato possibile simulare il clima solo a una risoluzione regionale così fine, e solo per periodi di tempo relativamente brevi. Nei nuovi modelli, i ricercatori vogliono ora raggiungere questa risoluzione a maglia fine a livello globale, per simulare gli eventi meteorologici da una prospettiva climatica globale in modo molto più accurato rispetto al passato. ? come dotare i modelli climatici globali di una funzione di zoom aggiuntiva per gli eventi su piccola scala.

"I nuovi modelli possono essere utilizzati anche per fare 'previsioni del tempo' nel clima futuro e trovare risposte su come potrebbero essere in futuro gli eventi estremi come le forti precipitazioni di quest'estate", afferma Christof Appenzeller, responsabile della divisione Analisi e previsioni di MeteoSvizzera.

Infrastruttura ad alte prestazioni per le simulazioni climatiche

Affinché i nuovi modelli possano sfruttare i loro vantaggi, è necessaria un'infrastruttura informatica personalizzata. Dopo tutto, i modelli meteorologici e climatici sono tra i problemi più impegnativi dal punto di vista del calcolo e dei dati. Presso EXCLAIM, i modelli vengono quindi sviluppati insieme all'hardware e al software dei supercalcolatori: "L'infrastruttura di calcolo e di dati è stata realizzata in base alle esigenze dei modelli meteorologici e climatici", spiega Thomas Schulthess, direttore del Centro nazionale svizzero di supercalcolo di Lugano. Il nuovo sistema di supercalcolo "Alps", ad esempio, è costruito in modo tale che i modelli climatici ad alta risoluzione siano in grado di rappresentare bene anche i sistemi convettivi come i temporali.

Affinché il tempo e il clima possano essere effettivamente simulati a livello globale e per decenni con una maglia di pochi chilometri, il modello deve funzionare circa 100 volte più velocemente di quanto sia possibile fare attualmente. Il primo modo per raggiungere questo obiettivo è utilizzare computer più veloci e più grandi. Il passaggio dall'attuale supercalcolatore ad alte prestazioni del CSCS al sistema "Alps" contribuirà a questo obiettivo.

La fine della Legge di Moore, secondo la quale le prestazioni dei processori raddoppiano ogni 20 mesi circa, rappresenta una sfida: "Poiché le prestazioni seriali dei processori non aumentano da circa 15 anni, l'unico modo per aumentare le prestazioni dei supercomputer è migliorare la loro architettura di calcolo parallelo", afferma Thomas Schulthess e aggiunge: "Vale anche la pena di installare l'architettura di un supercomputer in modo che possa risolvere in modo ottimale alcune classi di problemi di ricerca"."Un'architettura di computer mista, in cui i processori principali convenzionali, le CPU (Central Processing Unit), responsabili dei calcoli e dello scambio di dati tra memoria e componenti, sono utilizzati insieme alle GPU (Graphical Processing Unit), svolge un ruolo importante nella potenza di calcolo.

La seconda opzione parte dal software e consiste nell'ottimizzare il codice del modello e adattarlo meglio all'architettura informatica mista. EXCLAIM persegue un approccio rivoluzionario in cui il codice sorgente è diviso in una prima parte, che rappresenta l'interfaccia per gli sviluppatori e gli utenti del modello, e in un'infrastruttura software sottostante in cui gli algoritmi centrali del modello sono implementati in modo altamente efficiente per il rispettivo hardware. CSCS, MeteoSvizzera e C2SM stanno già perseguendo con successo questo approccio nell'attuale modello meteorologico di MeteoSvizzera. Ora il loro approccio viene applicato al modello meteo-climatico ICON. "Con questo approccio siamo riusciti a velocizzare il modello meteorologico di MeteoSvizzera di un fattore 10, consentendo a MeteoSvizzera di migliorare l'affidabilità delle sue previsioni", spiega Schulthess.

Gestire la marea di dati

La pura velocità di calcolo non è il fattore decisivo: con l'aumento della risoluzione dei modelli, la quantità di dati aumenta in modo massiccio. Inoltre, la ricerca meteorologica e climatica richiede e produce dati molto diversi. Per ottenere una velocità di calcolo efficace, è anche fondamentale che i computer possano accedere ai dati il più rapidamente possibile e scrivere i risultati sui supporti di memorizzazione. I processi di elaborazione devono essere organizzati di conseguenza, massimizzando la larghezza di banda dello storage ed evitando costosi trasferimenti di dati. "Affinché i nuovi modelli meteorologici e climatici producano risultati utili, dobbiamo ottimizzare l'intera infrastruttura. A tal fine, stiamo applicando l'esperienza acquisita in molti anni di collaborazione con MeteoSvizzera e l'ETH", afferma Schulthess.