Modelele climatice sunt unele dintre cele mai complexe piese de software scrise vreodată, capabile să simuleze un număr mare de părți diferite ale sistemului general, cum ar fi atmosfera sau oceanul. Multe au fost dezvoltate de sute de oameni de știință de-a lungul deceniilor și sunt în mod constant adăugate și rafinate. Ele pot rula pe peste un milion de linii de cod de computer – zeci de mii de pagini tipărite.
Nu este surprinzător că aceste modele sunt scumpe. Simulările durează, frecvent câteva luni, iar supercalculatoarele pe care rulează modelele consumă multă energie. Dar un nou algoritm eu am dezvoltat promite să facă multe dintre aceste simulări ale modelelor climatice de zece ori mai rapid și, în cele din urmă, ar putea fi un instrument important în lupta împotriva schimbarea climei.
Unul dintre motivele pentru care modelarea climei durează atât de mult este că unele dintre procesele simulate sunt intrinsec lente. Oceanul este un bun exemplu. Este nevoie de câteva mii de ani pentru ca apa să circule de la suprafață la adâncimea oceanului și înapoi (dimpotrivă, atmosfera are un „timp de amestecare” de săptămâni).
Încă de la primele modele climatice au fost dezvoltate în anii 1970, oamenii de știință și-au dat seama că aceasta va fi o problemă. Pentru a utiliza un model de simulare a schimbărilor climatice, acesta trebuie pornit de la condițiile reprezentative înainte ca industrializarea să ducă la eliberarea de gaze cu efect de seră în atmosferă.
Pentru a produce un echilibru atât de stabil, oamenii de știință își „spinează” modelul lăsându-l să funcționeze până când nu se mai schimbă (sistemul este atât de complex încât, la fel ca în lumea reală, unele fluctuații vor fi întotdeauna prezente).
O condiție inițială cu „derire” minimă este esențială pentru a simula cu acuratețe efectele factorilor provocați de om asupra climei. Dar datorită oceanului și altor componente lente, acest lucru poate dura câteva luni chiar și pe supercomputere mari. Nu e de mirare că oamenii de știință climatologic au numit acest blocaj unul dintre „provocări mari” din domeniul lor.
Nu pot arunca mai multe computere la problemă
S-ar putea să vă întrebați „de ce să nu folosiți o mașină și mai mare?” Din păcate, nu ar ajuta. Simplist, supercalculatoarele sunt doar mii de cipuri de computer individuale, fiecare cu zeci de unități de procesare (CPU-uri sau „nuclee”) conectate între ele printr-o rețea de mare viteză.
Una dintre mașini Eu folosesc are peste 300.000 de nuclee și pot efectua aproape 20 de cvadrilioane de operații aritmetice pe secundă. (Evident, este partajat de sute de utilizatori și orice simulare va folosi doar o mică parte din mașină.)
Un model climatic exploatează acest lucru prin împărțirea suprafeței planetei în regiuni mai mici – subdomenii -, calculele pentru fiecare regiune fiind efectuate simultan pe un procesor diferit. În principiu, cu cât aveți mai multe subdomenii, cu atât mai puțin timp ar trebui să dureze pentru a efectua calculele.
Asta este adevărat până la un punct. Problema este că diferitele subdomenii trebuie să „știe” ce se întâmplă în cele alăturate, ceea ce necesită transmiterea de informații între cipuri. Aceasta este mult mai lent decât viteza cu care cipurile moderne pot efectua calcule aritmetice, ceea ce oamenii de știință numesc „limitarea lățimii de bandă”. (Oricine a încercat să transmită în flux un videoclip printr-o conexiune lentă la internet va ști ce înseamnă asta.) Prin urmare, există profituri în scădere din a arunca mai multă putere de calcul la problemă. Modelele oceanice suferă în special de o astfel de „scalare” slabă.
De zece ori mai rapid
Aici este noul algoritm de computer pe care l-am dezvoltat și publicat Progresele științei intră. Promite să reducă dramatic timpul de rotație al oceanului și al altor componente ale modelelor de sisteme pământești. În testele pe modele climatice tipice, algoritmul a fost în medie de aproximativ zece ori mai rapid decât abordările actuale, scăzând timpul de la multe luni la o săptămână.
Timpul și energia pe care acest lucru le-ar putea economisi pe oamenii de știință climatic sunt valoroase în sine. Dar posibilitatea de a crea modele rapid înseamnă, de asemenea, că oamenii de știință le pot calibra în funcție de ceea ce știm că s-a întâmplat de fapt în lumea reală, îmbunătățindu-le acuratețea sau pentru a defini mai bine incertitudinea în proiecțiile lor climatice. Spin-up-urile necesită atât de mult timp încât niciunul nu este fezabil în prezent.
Noul algoritm ne va permite, de asemenea, să realizăm simulări cu mai multe detalii spațiale. În prezent, modelele oceanice de obicei nu ne spun nimic despre caracteristici mai mici de 1º lățime în longitudine și latitudine (aproximativ 110 km la ecuator). Dar multe fenomene critice din ocean apar la scari mult mai mici – de la zeci de metri la câțiva kilometri – și o rezoluție spațială mai mare va duce cu siguranță la proiecții climatice mai precise, de exemplu nivelul mării crestefurtunile și intensitatea uraganului.
Cum functioneaza
La fel ca atâtea cercetări „noi” se bazează pe o idee veche, în acest caz una care se întâlnește cu secole în urmă, până la matematicianul elvețian Leonhard Euler. Denumită „accelerare secvență”, poți să te gândești la ea ca folosind informații din trecut pentru a extrapola către un viitor „mai bun”.
Printre alte aplicații, este utilizat pe scară largă de chimiști și de cercetătorii materialelor pentru a calcula structura atomilor și moleculelor, o problemă care se întâmplă să ocupe mai mult de jumătate din resursele de supercalculatură ale lumii.
Accelerarea secvenței este utilă atunci când o problemă este de natură iterativă, exact ce este spin-up-ul modelului climatic: reintroduceți rezultatul din model ca intrare în model. Clătiți și repetați până când ieșirea devine egală cu intrarea și ați găsit soluția de echilibru.
În anii 1960, matematicianul de la Harvard DG Anderson a venit cu o modalitate inteligentă de a combina mai multe rezultate anterioare într-o singură intrare, astfel încât să ajungeți la soluția finală cu mult mai puține repetări ale procedurii. De vreo zece ori mai puține decât am găsit când am aplicat schema lui la problema spin-up-ului.
Dezvoltarea unui nou algoritm este partea ușoară. A-i face pe alții să-l folosească este adesea cea mai mare provocare. Prin urmare, este promițător că Ministerul Meteorologic al Marii Britanii și alte centre de modelare a climei îl încearcă.
Următorul raport major IPCC este programat în 2029. Acest lucru pare a fi departe, dar având în vedere timpul necesar pentru a dezvolta modele și a efectua simulări, pregătirile sunt deja în curs. Coordonat de o colaborare internațională cunoscută sub numele de Proiect de intercomparație cu modele cuplate, aceste simulări vor sta la baza raportului. Este interesant să mă gândesc că algoritmul și software-ul meu ar putea contribui.
Acest articol editat este republicat din Conversatia sub o licență Creative Commons. Citeste Articol original.