Adelantos de modelos meteorológicos

–Muy interesante este artículo de HPCWire sobre el uso de HPC en meteorología, cuenta los adelantos que están teniendo.  Esperamos los comentarios de nuestros lectores meteorólogos.–

02 de agosto 2012

Probar el caso para el Cambio Climático con Modelos Hi-Res

Aaron Dubrow, Texas Advanced Computing Center

Predicción numérica del tiempo fue uno de los problemas de computación originales. Cuando la ENIAC, la primera electrónica computadora de propósito general, entró en funcionamiento en 1947, las simulaciones de la atmósfera (junto con las trayectorias de misiles) fue uno de los primeros problemas que los científicos se ejecutaban en el sistema.

James Kinter, director del Centro de Estudios Mar-tierra-atmósfera en el Instituto del Medio Ambiente Mundial y Sociedad, han presentado esta exquisitez histórica en la segunda mañana de la reciente XSEDE12 conferencia en Chicago. A continuación, mostró los últimos avances en la modelización del clima habilitado por la Ciencia y el Medio Ambiente Ingeniería Extreme Discovery (XSEDE), la National Science Foundation (NSF) con apoyo ciberinfraestructura para la ciencia abierta.

Su charla, “Beneficios y retos de modelos de alta resolución espacial del clima”, incluidos los resultados de las simulaciones del clima se extiende entre 2008 y 2011 sobre el TeraGrid y los sistemas de XSEDE (TeraGrid fue el predecesor de XSEDE).

La presentación incluyó tres importantes proyectos de investigación financiados por la NSF: (1) Proyecto Athena – Resolución de mesoformas en la atmósfera, (2) Equipo PetaApps – Resolución de remolinos oceánicos, y (3) CMMAP – Super-Parametrización y Resolución de nubes, dirigió un proyecto por David Randall en Colorado State University. En conjunto, estos proyectos, cada uno de ellos involucra a decenas de investigadores a nivel internacional, muestran la capacidad de simulación y visualización científica para representar la Tierra en el calentamiento a escala regional, con una precisión asombrosa.

“Se podría pensar que hay un debate sobre el cambio climático”, dijo Kinter. “Pero en mi comunidad, hemos superado el punto de que sea un debate. Sin embargo, los modelos climáticos no son perfectos. “Negacionistas del cambio climático saltan sobre estas imperfecciones para cuestionar si podemos confiar en los modelos. “Para responder a esta pregunta, tenemos que probar el caso”, dijo.

En los últimos 50 años, el campo de la modelización del clima ha aprovechado el aumento de un millón de veces en la potencia de cálculo para hacer tres mejoras a los códigos que imitan la atmósfera.

De acuerdo con Kinter, los científicos han mejorado nuestra comprensión de los procesos físicos involucrados en el modelado de la atmósfera y se incorporan estos conocimientos en los códigos de la evolución. Se han desarrollado mejores métodos de asimilación de datos para incorporar la información de los satélites, radares Doppler y sensores de vigilancia de los océanos en sus modelos. Y han aumentado la resolución espacial, o la cantidad de grano fino detalle, que puede ser incluido en las simulaciones.

Hay evidencia de que este último paso – la resolución espacial mejorada – no sólo puede mejorar la fidelidad del modelo climático, sino que también cambia nuestra comprensión de la dinámica del clima, tanto cualitativa como cuantitativamente.

La gran pregunta, sin embargo, es: “¿Cuál es el retorno de la inversión cuando usted comience a buscar en alta resolución?” Para probar esta Kinter, y sus colegas simularon una variedad de escenarios climáticos a resoluciones que van desde 7 kilómetros (la más fina ) a 125 kilómetros (el más genérico).

Para lograr esta hazaña de cómputo masivo, el equipo de Kinter se concedió una asignación especial de tiempo de cálculo en la computadora  Atenea en el Instituto Nacional de Ciencias de la Computación (NIC) en 2009 y 2010. Durante seis meses, todo el núcleo del sistema-18048 fue puesta a disposición del equipo. Con base en esas carreras y seguimientos sobre otros sistemas de computación de alto rendimiento, su grupo ha publicado más de una docena de publicaciones y medio que recorren toda la gama de la dinámica de la tormenta tropical y la formación de ciclones a los pronósticos de lluvias globales y regionales.

Entre los resultados que se presentaron en la conferencia fueron las simulaciones que representan la climatología verano boreal a  7 kilómetros de la resolución en el transcurso de ocho veranos. Anteriormente, los investigadores sólo habían sido capaces de simular una sola semana o un mes en este nivel de detalle.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=bmGes3w-AjQ

Animación del verano boreal 2009 de simulación en la resolución de 7 km con el modelo de la NICAM JAMSTEC y la Universidad de Tokio.

Simulaciones anteriores producidas por muchos grupos de todo el mundo mostraron las tendencias de cambio de temperatura de la superficie modelada durante el siglo pasado que tienen una separación estadísticamente significativa en la escala continental mundial y grandes entre las simulaciones que incluyen la influencia humana sobre el clima (aumento de los gases de efecto invernadero y los aerosoles) y los que no lo hacen. Este fue “el arma humeante de si los humanos son responsables del aumento de la temperatura”, dijo Kinter.

Sin embargo, las tendencias a escala regional no son tan perceptibles. ¿Eso es porque las tendencias no son allí o porque los modelos no tienen la agudeza de verlos? Kinter y las investigaciones de sus colegas de alta resolución espacial arrojan luz sobre esta cuestión.

Otras simulaciones han explorado la probabilidad de sequía extrema en el Medio Oeste, Europa y otros lugares en el futuro. En sus estimaciones, el Medio Oeste experimentará los niveles de extrema sequía que está experimentando actualmente en 20 años de cada 50 – un aumento de cuatro veces. “Esta sequía será la norma a finales del siglo 21“, dijo Kinter,” de acuerdo con estas simulaciones. “

También presentó una serie de ejemplos clave en el aumento de resolución de los modelos afectados la claridad y el contenido de los resultados. Por ejemplo, citó la investigación por los colaboradores, que mostraron cómo los modelos de baja resolución de la costa este de la Corriente del Golfo puso la lluvia asociada con el patrón de tiempo en el lugar equivocado, mientras que los modelos de alta resolución delinear las bandas de lluvia en la costa este con exactitud.

Después de describir las ventajas de los modelos de mayor resolución, Kinter se refirió a los retos que este cambio genera. Los sesgos en los modelos, la parametrización de tiempo pequeño y los efectos espaciales de escala (como las nubes), y el acoplamiento de los modelos climáticos globales con la resolución de los modelos de nubes, son todos difíciles, pero no imposible, de superar. Sin embargo, el principal reto que el grupo Kinter y la comunidad está tratando es el “exaflood de datos”, producido por la alta resolución y modelos acoplados de alta complejidad.

Para el Proyecto Athena, el volumen total de los datos generados y ahora residente en NICS es de 1.2 petabytes. Sin embargo, el volumen total de datos en disco giratorio en el Centro de Estudios Mar-tierra-atmósfera para el Proyecto Atenea tiene un tope de 50 terabytes. Esto crea dificultades.

Que se ejecuta en los sistemas TeraGrid en gran escala por primera vez con tantos datos, “rompieron todo”, dijo Kinter. Él y sus colegas tuvieron que encontrar soluciones ad hoc para completar las simulaciones. El siguiente paso, dijo, es tomar las soluciones ad hoc y los utilizan para desarrollar soluciones sistemáticas y repetibles.

Dicho de otra manera: para hacer frente a la exaflood, la comunidad necesita para el progreso del Arca de Noé a un profesional de la industria del transporte marítimo. “Necesitamos seguros exaflood”, concluyó Kinter. “Eso es lo que estamos pidiendo al equipo de XSEDE nos ayuda.”

A continuación se contribuyó a la labor descrita en este artículo: Deepthi Achutavarier, Jennifer Adams, Eric Altshuler, Baer Troya, Cecilia Bitz, Bryan Frank, Ben efectivo, William Collins, Dennis John, Dirmeyer Paul, Matt Ezell, Halloy cristiana, Hamrud Esteras, Nathan Hearn, Huang Bohua, Jin Emilia, Juan Dwayne, Johnsen Pete Thomas Jung, Kirtman Ben, Kodama Chihiro, Loft Richard Bruce Loftis, Manganello Julia, Marx Larry Miller, Martin, por Nyberg, Tim Palmer, Randall David y CMMAP la Equipo, Clem Rousset, Satoh Masaki, Ben Shaw, Siqueira Leo, Stan Cristiana, Tomás Robert, Hirofumi Tomita, Torres Pedro y Mariana Vertenstein, Tom Wakefield, Wedi Nils, Wong Kwai, y Yamada Yohei.

Fuente: HPCWire