Simulaciones meteorológicas y climáticas globales a 1 km por el ECMWF

Un equipo dirigido por los científicos del ECMWF, Nils Wedi, Peter Bauer y Peter Düben, con el colaborador Valentine Anantharaj del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, acaba de completar la primera simulación global de escala de tiempo estacional de la atmósfera de la Tierra con un espacio de rejilla promedio de 1 km.

La simulación se realizó con una versión adaptada del Sistema Integrado de Pronósticos ECMWF (Integrated Forecasting System, IFS) en la computadora de Oak Ridge’s Summit, la computadora más rápida del mundo (a partir de noviembre de 2019).

Aunque solo se trata de una sola realización, los datos de 1 km proporcionan una referencia para evaluar las fortalezas y debilidades de los pronósticos de predicción numérica operativa del tiempo (numerical weather prediction, NWP) proporcionados por el ECMWF, que actualmente se realizan con un espaciado de cuadrícula de 9 km.

El realismo del tiempo extremo presente en los datos de 1 km también se puede comparar con la representación del tiempo en las proyecciones climáticas obtenidas de simulaciones más groseras de 1-2 órdenes de magnitud en la actualidad. A pesar del costo significativo, las simulaciones globales a resoluciones de aproximadamente 1 km han sido defendidas recientemente en un artículo del profesor Tim Palmer (Universidad de Oxford) y el profesor Bjorn Stevens (Instituto Max Planck de Meteorología, Hamburgo) como un camino a seguir "acorde con el desafíos planteados por el cambio climático ”.

Los datos respaldarán la planificación futura de misiones satelitales, ya que las nuevas herramientas satelitales pueden evaluarse en una atmósfera global realista simulada con detalles sin precedentes. La simulación de 1 km también puede verse como una contribución prototipo a un futuro "gemelo digital" de nuestra Tierra.

Pruebas en la computadora más rápida del mundo

Summit at Oak Ridge es la computadora más rápida del mundo (lista Top500, noviembre de 2019) y, sin embargo, literalmente al lado, se está construyendo su sucesor, que será 10 veces más grande: Frontier, listo en 2021. Tanto Summit como Frontier están equipadas en cada nodo de cómputo con varias GPU (6 NVIDIA Volta 100 frente a 4 GPU AMD Radeon Instinct especialmente diseñadas) y CPU multinúcleo (2 CPU IBM Power9 frente a 1 CPU AMD EPYC). Por cierto, ECMWF también se encuentra actualmente en el proceso de instalación de su nueva supercomputadora proporcionada por Atos, basada en procesadores AMD EPYC.

La simulación atmosférica global a 4 meses de duración con un espaciado de cuadrícula de 1 km se realizó como parte de un premio INCITE20 que proporciona 500,000 horas-nodo en la Summit. El premio es uno de los 47 realizados por el programa INCITE de EE. UU. / US INCITE programme para 2020 después de un proceso de selección altamente competitivo. Nuestra elección de la configuración del modelo IFS sigue los experimentos de sensibilidad anteriores descritos en detalle en Dueben et al. (2020).

Nuestros primeros resultados muestran que la configuración del modelo NWP hidrostático en constante mejora del IFS funciona bien incluso en un espacio de cuadrícula promedio de 1 km. Esto parece desafiar la creencia común en la meteorología dinámica de que se requerirían ecuaciones no hidrostáticas a este nivel de resolución. Se desconoce el impacto de los efectos no hidrostáticos, pero nuestro análisis proporciona una línea de base contra la cual se pueden medir futuras simulaciones no hidrostáticas.
Simulaciones

Las simulaciones se han llevado a cabo solo en una fracción de Summit, a una velocidad de aproximadamente una semana simulada por día, utilizando 960 nodos Summit con 5760 tareas MPI × 28 hilos, lo que se traduce en 5,4 segundos por paso de tiempo de modelo. Gracias en parte a la compresión espectral de los datos globales, 4 meses de datos de salida TCo1279 (9 km) tienen un tamaño de aproximadamente 10 TB y 4 meses de datos de 1 km cada 3 horas son aproximadamente 450 TB.

Las otras características interesantes de Summit fueron útiles para nuestras simulaciones, como aproximadamente 1.6 TB de memoria de búfer de ráfaga NVMe en cada uno de los 4600 nodos, y una poderosa red de enrutamiento adaptativo Mellanox (casi libre de congestión) entre nodos (también presente en la futura máquina de ECMWF) La salida del modelo es manejada por el almacén de objetos FDB5 operacional de ECMWF (Smart et al., 2019), haciendo uso de la memoria NVMe dedicada. De esta manera, la entrada / salida (E / S) se puede desacoplar completamente del cálculo sin la necesidad del servidor de E / S IFS y los nodos adicionales asociados.

Ahora esperamos analizar las asombrosas 33,784,857,600,000 muestras de temperatura, presión, humedad, vientos y nubes, como se ilustra en las imágenes de satélite simuladas. ¡Compare esto con los 3,500,000,000 usuarios de teléfonos inteligentes en todo el mundo!

El trabajo continúa con los datos del modelo ECMWF para observar experimentos de simulación de sistemas (OSSEs), que apoyan la planificación futura de misiones satelitales basadas en "pasadas naturales" para simular observaciones satelitales que aún no existen, p. e. el más reciente ECO1280.

Primeros resultados

Aunque se basó en más de 40 años de experiencia en MNP encapsulados en el sistema IFS de ECMWF, la simulación fue, sin embargo, un paso hacia un territorio desconocido.

¿El modelo será estable durante una temporada? ¿Habrá problemas con la convección resuelta explícitamente o las pendientes mucho más pronunciadas de la topografía que ahora aparecen?

Con un espacio de rejilla de 9 km, las montañas del Himalaya alcanzan alturas de aproximadamente 6,000 m en el mundo simulado. Sin embargo, con los detalles recientemente resueltos de la topografía a una distancia de cuadrícula de 1 km, ahora podemos presentar las montaña con unos detalles increíbles con 8,172 m para ser precisos en las zonas más altas, pero no del todo real pero ¡muy cerca!

A pesar de nuestras preocupaciones, todo salió bien y la simulación de la atmósfera de la Tierra a una distancia de cuadrícula de 1 km produjo una circulación media global realista e intrigante una estratosfera mejorada a través de la retroalimentación resuelta de convección profunda y topografía, y las ondas resueltas asociadas de Rossby y ondas de gravedad inerciales que emanan en la estratosfera. Los datos también nos dan indicaciones directas de condiciones atmosféricas extremas, como la probabilidad de tornados, por primera vez. El conjunto de datos de referencia de 4 meses sin precedentes respaldará directamente nuestros esfuerzos de desarrollo de modelos y ayudará a estimar el impacto de los futuros sistemas de observación.

De manera tranquilizadora, encontramos que la redistribución global de energía es similar en simulaciones con espaciado de rejilla de 1 km (con convección profunda explícita) y en las simulaciones con espaciado de rejilla de 9 km (con convección profunda parametrizada). En particular, algo que no encontramos fácilmente si desactivamos la parametrización de la convección profunda en resoluciones más groseras.

Resumen

En resumen, hay mucho más por explorar en este nuevo mundo de 'escala de la convección y tormentas' que resuelve el modelado global y esta simulación de referencia solo permitió vislumbrar un emocionante futuro de modelado para el tiempo y el clima de nuestra Tierra. Pero para llegar allí necesitamos más investigación para mejorar el desarrollo del modelo, el acoplamiento al océano, las olas y la química atmosférica, y para continuar nuestros esfuerzos de adaptación al hardware novedoso y energéticamente eficiente, al tiempo que adoptamos rápidamente las tecnologías emergentes.

Toda la información aquí.

Traducción libre de la RAM.

22 de junio de 2020

Nils Wedi, Jefe de Modelado del Sistema de la Tierra en ECMWF

ECMWF