Klimastudien verändern: Innovative Software verbessert bedeutendes Ozeanmodell

von Santiago Fernandez
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Climate Modeling Software

Dieses Bild zeigt Meeresoberflächenströmungen, wie sie von MPAS-Ocean mit Dank an das Los Alamos National Laboratory, E3SM und das US-Energieministerium simuliert wurden.

Ein neu entwickelter Lösungsalgorithmus für das MPAS-Ozean-Modell markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Klimaforschung. Dies wird dadurch erreicht, dass die für Berechnungen erforderliche Zeit verkürzt und die Präzision des Modells erhöht wird. Diese Innovation, die Fortran- und C++-Programmierung vereint, stellt einen bedeutenden Sprung in der Klimamodellierung dar, sowohl hinsichtlich der Effizienz als auch der Zuverlässigkeit.

Meereswellen bieten zwar eine beruhigende Kulisse an Stränden, spielen jedoch eine entscheidende Rolle bei wissenschaftlichen Unternehmungen wie Wettervorhersagen und Klimastudien. Der Ozean ist neben der Atmosphäre häufig ein primäres und rechenintensives Element in Erdsystemmodellen wie dem Energy Exascale Earth System Model (E3SM) des Energieministeriums.

Fortschritte in der ozeanischen Modellierung

Zeitgenössische Ozeanmodelle untersuchen im Allgemeinen zwei Wellentypen: das sich schnell bewegende barotrope und das sich langsamer bewegende barokline System. Um diese beiden Typen gleichzeitig besser simulieren zu können, hat ein Gemeinschaftsteam der DOE-Laboratorien Oak Ridge, Los Alamos und Sandia National Laboratories einen neuen Lösungsalgorithmus entwickelt. Dieser Algorithmus hat die Betriebsdauer des MPAS-Ocean, der Ozeanzirkulationskomponente von E3SM, um 45% verkürzt.

Das Team führte Softwaretests auf verschiedenen Supercomputern durch, darunter Summit in der Oak Ridge Leadership Computing Facility des ORNL, Compy im Pacific Northwest National Laboratory und Cori und Perlmutter im National Energy Research Scientific Computing Center des Lawrence Berkeley National Laboratory. Ihre Ergebnisse wurden im International Journal of High Performance Computing Applications veröffentlicht.

Fortschritte in der Klimamodellierung

Die Herausforderung, Trilinos, eine Sammlung von Open-Source-Software in C++ für Supercomputing, mit typischerweise in Fortran geschriebenen Erdsystemmodellen zusammenzuführen, wurde mit ForTrilinos gelöst. Diese Softwarebibliothek integriert Fortran-Schnittstellen mit vorhandenen C++-Paketen und rationalisiert so die Erstellung des neuen Lösers mit Schwerpunkt auf barotropen Wellen.

Hyun Kang, ein ORNL-Wissenschaftler für computergestützte Erdsysteme und Hauptautor der Studie, hebt die Bequemlichkeit dieser Schnittstelle hervor, die die Verwendung aller C++-Paketkomponenten in Fortran ermöglicht, ohne dass eine Übersetzung erforderlich ist.

Verbesserungen an MPAS-Ocean

Diese Entwicklung baut auf früheren Forschungsergebnissen auf, die im Journal of Advances in Modeling Earth Systems veröffentlicht wurden. Forscher des ORNL und des Los Alamos National Laboratory haben manuell einen Code zur Verbesserung von MPAS-Ocean erstellt. Der neue ForTrilinos-fähige Solver behebt frühere Einschränkungen, insbesondere wenn MPAS-Ocean mit weniger Rechenkernen für eine bestimmte Problemgröße ausgeführt wird.

Der ursprüngliche MPAS-Ocean-Solver verwendete explizites Subcycling und erforderte zahlreiche kleine Zeitintervalle, um die Berechnungen barotroper und barokliner Wellen zu synchronisieren, ohne das Modell zu destabilisieren. Im Gegensatz dazu verwendet der neu entwickelte barotrope Löser eine semiimplizite Methode, die bedingungslose Stabilität gewährleistet und die Verwendung weniger, größerer Zeitschritte ohne Kompromisse bei der Genauigkeit ermöglicht. Dieser Ansatz spart erhebliche Rechenleistung und Zeit.

Die von einer Entwicklergemeinschaft für verschiedene Klimaanwendungen optimierten Softwarebibliotheken Trilinos und Fortrilinos verbessern nun die Leistung des MPAS-Ocean-Lösers. Diese Optimierungen ermöglichen es anderen Wissenschaftlern, ihre Klimaforschung voranzutreiben.

Zukünftige Entwicklungen und Auswirkungen

Trotz seiner aktuellen Skalierbarkeitseinschränkungen auf Hochleistungsrechnersystemen ist der Solver bis zu einer bestimmten Prozessoranzahl außergewöhnlich leistungsfähig. Die Anforderung der semiimpliziten Methode an häufige Prozessorkommunikation kann die Leistung beeinträchtigen. Um dieses Problem anzugehen, optimieren die Forscher die Prozessorkommunikation und passen den Solver an die GPU-Nutzung an.

Darüber hinaus hat das Team die Zeitschrittmethode für das barokline System verfeinert und so die Effizienz von MPAS-Ocean gesteigert. Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Klimavorhersagen zu beschleunigen und zu verbessern, die für die Klimasicherheit und für fundierte, hochauflösende Vorhersagen von entscheidender Bedeutung sind.

„Dieser neue Löser für den barotropen Modus beschleunigt nicht nur die Berechnungen, sondern sorgt auch für eine stabilere Integration von Modellen, insbesondere von MPAS-Ocean“, sagt Kang. „Indem wir die Geschwindigkeit dieses Modells erhöhen, können wir den Energieverbrauch reduzieren, der mit der umfangreichen Nutzung von Rechenressourcen verbunden ist, wodurch wir Simulationen verbessern und die Auswirkungen des Klimawandels über Jahrzehnte oder sogar Jahrtausende effektiver vorhersagen können.“

Diese Studie wurde von E3SM und dem Exascale Computing Project (ECP) unterstützt, die beide vom Biological and Environmental Research-Programm im Office of Science des DOE gesponsert wurden. Das Advanced Scientific Computing Research-Programm im Office of Science des DOE finanziert OLCF und NERSC.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Klimamodellierungssoftware

Welche Bedeutung hat der neue Solver-Algorithmus für MPAS-Ocean?

Der für das MPAS-Ocean-Modell entwickelte neue Lösungsalgorithmus ist ein bahnbrechender Fortschritt in der Klimaforschung. Es reduziert die Rechenzeit erheblich und verbessert gleichzeitig die Genauigkeit der Simulationen. Diese Verbesserung wird durch die Integration von Fortran- und C++-Programmierung erreicht und stellt einen großen Fortschritt in der effizienten und zuverlässigen Klimamodellierung dar.

Welchen Beitrag leistet das MPAS-Ocean-Modell zur Klimaforschung?

MPAS-Ocean spielt als Teil des Energy Exascale Earth System Model (E3SM) des Energieministeriums eine entscheidende Rolle in der Klimaforschung. Es hilft bei der Vorhersage des Wetters und der Untersuchung von Klimamustern, indem es Meeresoberflächenströmungen simuliert. Der Ozean ist neben der Atmosphäre eine Schlüsselkomponente in Erdsystemmodellen, und eine genaue Simulation der Meeresströmungen ist für zuverlässige Klimaprognosen von entscheidender Bedeutung.

Welche rechnerischen Verbesserungen gibt es im MPAS-Ocean-Modell?

Der neue Solver-Algorithmus für das MPAS-Ocean-Modell hat die Gesamtlaufzeit der Simulationen um 45% reduziert. Möglich wird diese Verbesserung durch einen semiimpliziten Löser für das barotrope System, der bedingungslos stabil ist und größere Zeitschritte ohne Einbußen bei der Genauigkeit ermöglicht. Dies führt zu erheblichen Zeit- und Rechenleistungseinsparungen.

Welche Rolle spielen Trilinos und ForTrilinos in dieser Forschung?

Trilinos ist eine in C++ geschriebene Datenbank mit Open-Source-Software, die zur Lösung wissenschaftlicher Probleme auf Supercomputern verwendet wird. ForTrilinos ist eine verwandte Softwarebibliothek, die Fortran-Schnittstellen in C++-Pakete integriert. Das Forschungsteam nutzte ForTrilinos, um den neuen Solver-Algorithmus für MPAS-Ocean zu entwerfen, der die Verwendung von C++-Komponenten in Fortran ohne die Notwendigkeit einer Übersetzung ermöglichte und so den Entwicklungsprozess rationalisierte.

Was sind die zukünftigen Ziele für die Entwicklung von MPAS-Ocean?

Zukünftige Verbesserungen für MPAS-Ocean umfassen die Optimierung der Prozessorkommunikation und die Anpassung des Solvers an die GPU-Nutzung. Das Team arbeitet außerdem an der Aktualisierung der Zeitschrittmethode für das barokline System, um die Effizienz weiter zu verbessern. Ziel ist es, Klimavorhersagen schneller, zuverlässiger und genauer zu machen, was für die Klimasicherheit und hochauflösende Prognosen von entscheidender Bedeutung ist.

Mehr über Klimamodellierungssoftware

  • Übersicht über das MPAS-Ozeanmodell
  • E3SM-Projekt des Energieministeriums
  • Trilinos-Softwarebibliothek
  • ForTrilinos: Überbrückung von Fortran und C++
  • Meereswellen in der Klimamodellierung
  • Hochleistungsrechnen in der Klimaforschung
  • Das International Journal of High Performance Computing Applications
  • Fortschritte bei der Modellierung von Erdsystemen
  • Recheneffizienz in Klimamodellen
  • DOE Office of Science Programs

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5 Kommentare

Emma B. Dezember 20, 2023 - 7:39 am

Der Abschnitt über Trilinos und ForTrilinos war etwas verwirrend. Vielleicht eine kurze Erklärung hinzufügen, was das für diejenigen unter uns ist, die sich nicht mit Technik auskennen?

Antwort
Mike Johnson Dezember 20, 2023 - 9:41 am

wirklich interessanter Artikel, aber ich denke, die technischen Details sind etwas übertrieben, vielleicht etwas vereinfachen für den Durchschnittsleser?

Antwort
Sarah K. Dezember 20, 2023 - 10:16 am

Mir gefiel, wie dieser Artikel die Bedeutung der Ozeane in der Klimaforschung hervorhebt, aber im zweiten Absatz ist ein Tippfehler: „erheblich“ sollte „erheblich“ heißen.

Antwort
Alex T. Dezember 20, 2023 - 1:15 pm

Tolle Lektüre, hatte aber das Gefühl, dass es sich in der Mitte hinzieht. Vielleicht einige weniger wichtige Details weglassen?

Antwort
John D. Dezember 20, 2023 - 5:49 pm

Beeindruckende Arbeit der Forscher, aber ich denke, der Artikel könnte etwas mehr über die praktischen Anwendungen dieser Forschung vertragen. Wie wird sie sich auf unser tägliches Leben auswirken?

Antwort

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