EXCLAIM (meteorologie)

EXCLAIM je výzkumná iniciativa Spolkové vysoké technické školy v Curychu (ETHZ) a partnerů, s cílem vyvinout exascale výpočetní a datovou platformu – výpočetní systémy schopné zpracovat alespoň 10¹⁸ operací s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu (1 exaFLOPS) – pro modelování počasí a klimatu (podnebí), schopnou simulovat regionální až globální systémy oceán-moře-led-atmosféra-země (anglicky ocean-sea-ice-atmosphere-land) v mnohem větším rozlišení, než bylo dosud možné. Skokovým zvýšením rozlišení umožnit modelování kritických procesů počasí a klimatu, zejména mraků a konvekce a snížit tak nejistoty v předpovědi počasí a prognóze vývoje klimatu.^[1]

Účelem tedy je vyvinout nové globální klimatické modely (GCM), které budou integrovat regionální klimatické modely (RCM) ve vysokém rozlišení, přímo simulující bouře, bouřky a hurikány. Vyvinout novou generaci modelů pro předpověď povětrnostních událostí s vyšší přesností, s možností lepšího porozumění klimatickým jevům jako jsou přívalové deště, povodně a krupobití. Modelovat a studovat extrémní povětrnostní události, interakce mezi počasím a klimatem, a dopady silných bouřek na pozadí globálního oteplování, globálních změny klimatu.^[2]

EXCLAIM je iniciativa mezioborová, spolupracují na ní výzkumníci na následujících tématech:^[1][2][3]

• ETHZ
  • environmentální vědy – Katedra environmentálních systémů ETHZ (anglicky Department of Environmental Systems Science, D-​USYS)^[4]
  • počítačové vědy – Katedra informatiky ETHZ (anglicky Department of Computer Science, D-​INFK)^[5]
  • fyziku – Katedra fyziky ETHZ (anglicky Department of Physics, D-PHYS)^[6]
• modelování klimatických systémů – Centrum pro modelování klimatických systémů při ETHZ (anglicky Center for Climate Systems Modeling, C2SM)^[7]
• superpočítače – Švýcarské národní superpočítačové centrum (anglicky Swiss National Supercomputing Centre, CSCS)^[8]
• datové vědy – Švýcarské centrum datových věd (anglicky Swiss Data Science Center, SDSC)^[9][10]
• materiálové vědy – Švýcarská federální laboratoř pro vědu a technologii materiálů (anglicky Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Empa)^[11]
• meteorologii a klimatologii – švýcarský Federální úřad pro meteorologii a klimatologii (anglicky Federal Office of Meteorology and Climatology, MeteoSwiss)^[12]

Mezinárodním partnerem projektu je Německá meteorologická služba (německy Deutscher Wetterdienst, DWD)^[13] a Institut Maxe Plancka pro meteorologii (anglicky Max Planck Institute for Meteorology, MPI-​M)^[14], kteří společně vyvinuly model ICON (z anglického ICOsahedral Nonhydrostatic) – základ modelu EXCLAIM a také Evropské centrum pro střednědobé předpovědi počasí (anglicky European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF), jehož je Švýcarsko plnoprávným členem. Stejně jako Anglie, Itálie a Německo, další partneři na projektu. Jedná se tak o jedno z nejsilněji zastoupených konsorcií pro vývoj modelů na světě. EXCLAIM uvádí návaznost na předešlou veleúspěšnou spolupráci mezi těmito institucemi a chce ji dále posílit a rozšířit.^[1][2]

Cílem je snaha o významné zvýšení prostorového rozlišení modelů počasí a klimatu. Pro simulaci globálního počasí a klimatu se všemi regionálními detaily, se nad model Země umisťuje virtuální třírozměrná síť. Pro každou buňku síťového modelu se za pomoci fyzikálních zákonů dopočítávají příslušné klimatické podmínky. V současnosti mají buňky sítí globálních klimatických modelů šířku 50 až 100 kilometrů. V dlouhodobém horizontu je cílem projektu EXCLAIM zvýšit toto rozlišení na jeden kilometr. Dosud bylo možné takto jemnou sítí simulovat jen relativně krátkodobé předpovědi pouze pro regionální počasí. S novými modely s takto jemným rozlišením je záměr simulovat průběh počasí po celém světě.^[2]

Navrhovaná platforma EXCLAIM pro modelování a údaje bude založena na modelu ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic), vyvinutém primárně Německou meteorologickou službou (DWD) a Institutem Maxe Plancka pro meteorologii (MPI-M). EXCLAIM dosavadní stav rozšíří o odbornost švýcarských partnerů ve vývoji modelů počasí a klimatu a datových infrastruktur, využívajících nových generací architektur superpočítačů. Projekt se zaměří také na použitelnost a přenositelnost platformy při zachování vysokého výpočetního výkonu a datové propustnosti. To vyžaduje věnování značné pozornosti pro vytvoření efektivních toků zpracování a dat, které se vypořádají s lavinou údajů generovanou modely s vysokým rozlišením. Modelovací platforma bude využívat dva příklady použití (use cases). Ty budou určovat a testovat její vývoj. Jedním bude model pro střední Evropu v měřítku sub-kilometrového rozlišení. Druhým plně propojený model oceán-moře-led-atmosféra-země pokrývající zeměkouli v měřítku kilometrového rozlišení a schopného dosáhnout výpočetní výkonnosti umožňující simulace na desetiletí až staletí.^[1]

Řešit správně konvektivní systémy, jako jsou bouřky na klimatických modelech s vysokým rozlišením umožňuje například superpočítačový systém ALPS (česky Alpy) ve Švýcarském národním superpočítačovém centru (CSCS) v Luganu. Pro simulaci počasí a klimatu v globálním měřítku pro období několika desítek let s mřížkou o šířce pouhých několika kilometrů ​budou muset nové modely oproti současným pracovat přibližně stokrát rychleji.^[2]

Předpokládají se tak také práce na úpravách hardware superpočítačů, jako:

• zlepšení architektury paralelního zpracování,
• optimalizace architektury pro řešení potřebných tříd početních úloh.

Jednou takovou cestou by mělo být i využití grafických procesorů (GPU), tedy hybridní architektury.

Také úpravy software by měly sehrát významnou roli. Kód modelu by se měl optimalizovat tak, aby bylo plně využito hybridní architektury.^[2] Klíčovou cestou pro realizaci těchto cílů má být refaktorizace stávajících kódů pomocí konceptu doménově orientovaných softwarových frameworků a vyšší úrovně (anglicky high-level) abstrakce kódu.^[1]

Počítá se s rozdělením kódu na dvě části, na:

• rozhraní pro vývojáře a uživatele modelu,
• algoritmy optimalizované pro daný hardware.

CSCS, MeteoSwiss a C2SM tento přístup s velikým úspěchem (desetinásobné zrychlení modelu) aplikovaly v současném modelu počasí MeteoSwiss. Tento přístup je nyní aplikován také na model počasí a klimatu ICON.^[2]

Data a datová exploze jsou dalšími faktory, které infrastrukturní část projektu bude optimalizovat, s cílem zvyšovat datovou propustnost a zkracovat dobu přístupu.

• Oficiální web projektu EXCLAIM