Con una resolución de 1 kilómetro, un modelo climático europeo (izquierda) es casi indistinguible de la realidad (derecha).
(DE IZQUIERDA A DERECHA) ECMWF; © EUMETSAT

La Unión Europea está ultimando planes para un ambicioso “gemelo digital” del planeta Tierra que simularía la atmósfera, el océano, el hielo y la tierra con una precisión incomparable, proporcionando pronósticos de inundaciones, sequías e incendios con días o años de anticipación. Destino Tierra, como se llama el proyecto, no se detendrá allí: también intentará capturar el comportamiento humano, permitiendo a los líderes ver los impactos de los eventos meteorológicos y el cambio climático en la sociedad y medir los efectos de diferentes políticas climáticas.

"Es una misión realmente audaz, me gusta mucho", dice Ruby Leung, científica climática del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE's). Al representar la atmósfera del planeta en cajas de solo 1 kilómetro de ancho, una escala mucho más fina que la de los modelos climáticos existentes, Destination Earth puede basar sus pronósticos en datos en tiempo real mucho más detallados que nunca. El proyecto, que se describirá en detalle en dos talleres a finales de este mes, comenzará el próximo año y se ejecutará en uno de las tres supercomputadoras que Europa desplegará en Finlandia, Italia y España.

Destination Earth (Destino Tierra) surgió de las cenizas de Extreme Earth (Extremo Tierra), una propuesta liderada por el Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Medio Plazo (ECMWF) para un programa de investigación insignia de mil millones de euros. La Unión Europea finalmente canceló el programa insignia, pero mantuvo el interés en la idea. Los temores de que Europa se estuviera quedando atrás de China, Japón y Estados Unidos en supercomputación llevaron a la Empresa Común Europea de Computación de Alto Rendimiento, a una inversión de € 8 mil millones para sentar las bases de eventuales máquinas de "exaescala" capaces de mil millones de millones de cálculos por segundo . La propuesta latente de la Tierra Extrema ofrecía un uso perfecto para tal capacidad. "Esto hace volar el espíritu a su infraestructura digital", dice Peter Bauer, subdirector de investigación de ECMWF, quien coordinó Extreme Earth y ha estado asesorando a la Unión Europea sobre el nuevo programa.

Los modelos climáticos típicos se ejecutan a resoluciones de 50 o 100 kilómetros; incluso los mejores como el modelo "europeo" de ECMWF corren a 9 kilómetros. La resolución de 1 kilómetro del nuevo modelo le permitirá representar directamente la convección, el transporte vertical de calor, crítico para la formación de nubes y tormentas, en lugar de depender de una aproximación algorítmica. “Yo lo llamo la tercera dimensión del modelado climático”, dice Bjorn Stevens, científico climático del Instituto Max Planck de Meteorología. El modelo también simulará el océano con suficiente detalle como para capturar el comportamiento de los remolinos que son importantes motores de transporte de calor y carbono.

En Japón, las carreras pioneras de un modelo climático global de 1 kilómetro han demostrado que la simulación directa de tormentas y remolinos conduce a mejores predicciones de precipitaciones a corto plazo. Pero también debería mejorar los pronósticos climáticos durante períodos de meses y años. Trabajos recientes han demostrado que los modelos climáticos no están capturando cambios predecibles en los patrones de viento que provocan cambios en la temperatura y las precipitaciones regionales, probablemente porque los modelos no logran reproducir tormentas y remolinos.

La alta resolución también permitirá a Destination Earth basar sus pronósticos en datos más detallados. Los modelos meteorológicos ingestan observaciones de temperatura y presión de satélites, estaciones meteorológicas, aviones y boyas para guiar sus simulaciones. Pero las cuadrículas gruesas significan que los modelos no pueden asimilar mediciones que no promedian bien o cubren áreas amplias, como las fracturas que se abren en el hielo marino. Destination Earth cerrará esta brecha, dice Sandrine Bony, científica de nubes en el Instituto Pierre Simon Laplace. “Las escalas que se resuelven están más cerca de las escalas que se miden”.

El modelo también incorporará datos en tiempo real que trazan la contaminación atmosférica, el crecimiento de los cultivos, los incendios forestales y otros fenómenos que se sabe que afectan el tiempo y el clima, dice Francisco Doblas-Reyes, científico de sistemas terrestres en el Centro de Supercomputación de Barcelona. "Si un volcán se activa mañana, eso es importante por el riesgo de que las precipitaciones tropicales fallen en unos pocos meses". Además, incluirá datos sobre la sociedad, como el uso de energía, los patrones de tráfico y los movimientos humanos (rastreados por teléfonos móviles).

El objetivo es permitir que los responsables de la formulación de políticas evalúen directamente cómo afectará el cambio climático a la sociedad y cómo la sociedad podría alterar la trayectoria del cambio climático. Por ejemplo, el modelo podría predecir cómo afectará el cambio climático a la agricultura y los patrones de migración en Brasil, y también cómo los recortes en los subsidios al etanol podrían limitar la deforestación en la Amazonía. Actualmente, los científicos del clima extraen resultados regionales de modelos climáticos globales y los pasan a expertos en agricultura o economía para comprender los efectos sobre el comportamiento humano. Ahora, dice Erin Coughlan de Perez, científica de peligros climáticos en el Centro Climático de la Cruz Roja y Media Luna Roja, los modeladores están "pasando de solo pronosticar el tiempo a lo que hará el tiempo".

Llegar no será fácil. Las supercomputadoras de exaescala se basan tanto en chips de computadora tradicionales como en unidades de procesamiento gráfico (GPU), que son eficientes en el manejo de cálculos intensivos. Las GPU son buenas para ejecutar componentes de modelos en paralelo y entrenar algoritmos de inteligencia artificial, dos técnicas en las que se apoyará Destination Earth para mejorar el rendimiento. Pero el antiguo código de modelado climático tendrá que ser reelaborado. ECMWF tiene una ventaja: está adaptando su modelo de pronóstico a un entorno basado en GPU, y el año pasado lo probó a una resolución de 1 kilómetro durante 4 meses simulados en Summit, la supercomputadora de EE. UU. Que era la más rápida del mundo hasta que una máquina japonesa lo eclipsó recientemente. eso.

La enorme cantidad de datos generados por el modelo será un problema en sí mismo. Cuando el equipo japonés realizó su experimento a una escala de un kilómetro, tomó medio año extraer algo útil de un par de días de datos, dice Doblas-Reyes. "Hay un cuello de botella cuando intentamos acceder a los datos y hacer algo inteligente con ellos". Una gran parte de Destination Earth resolverá este problema, diseñando formas de analizar los resultados del modelo en tiempo real.

Como sistema operativo, Destination Earth probablemente se ejecutará en varias escalas de tiempo, dice Bauer. Uno estará casi a diario, quizás enfocado en eventos climáticos extremos individuales semanas o meses en el futuro. Las ejecuciones en el otro modo (predicciones a largo plazo) serían menos frecuentes: tal vez una predicción del clima de una década de duración realizada cada medio año aproximadamente. “Si esto funciona, podría ser un modelo a seguir para otros países”, dice Bauer.

Los europeos no están solos en la planificación de modelos climáticos a exaescala. "También nos dirigimos en esa dirección, pero todavía tenemos que alcanzar ese nivel de esfuerzo", dice Leung, quien se desempeña como científico jefe del modelo del sistema terrestre del DOE.

Stevens dice que es emocionante estar involucrado en un sistema de información verdaderamente a escala planetaria que puede revelar no solo el proverbial efecto mariposa en el tiempo y el clima, sino también cómo las acciones humanas locales se manifiestan globalmente. “Esa es la historia de la globalización. Esa es la historia del Antropoceno.

Publicado en Science por Paul Voosen el 1 de octubre de 2020. Enlace a la noticia original:

doi:10.1126/science.abf0687

Nota:

La computación a exaescala hace referencia a los sistemas de computación capaces de realizar un mínimo de 1 exaflop (10¹⁸) u operaciones de coma flotante por segundo. Dicha capacidad representa una mejora mil veces superior al primer equipo de petaescala que entró en funcionamiento en 2008¹​ (un exaflop son mil petaflops). En una conferencia de supercomputación en el año 2009, Computerworld pronosticó la incorporación de los primeros supercomputadores exaescala en 2018.²​

La computación a exaescala podría suponer un logro muy significativo en la ingeniería informática, pues se cree que puede llegar a superar la potencia de procesamiento del cerebro humano a nivel neuronal, como muestra el Proyecto Cerebro Humano.

Fuente: Wikipedia

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