Чтобы лучше понять эту потерю, группа исследователей Sandia National Laboratories повысила надежность и эффективность вычислительных моделей, описывающих поведение и динамику ледяного покрова. В команду входят исследователи Ирина Демешко, Майк Элдред, Джон Джейкман, Мауро Перего, Энди Сэлинджер, Ирина Тезаур и Рэй Туминаро.Это исследование является частью пятилетнего проекта под названием «Прогнозирование ледникового покрова и эволюции климата в экстремальных масштабах» (PISCEES), финансируемого программой «Научные открытия с помощью передовых вычислений» (SciDAC) Министерства энергетики США.
PISCEES — это комплекс, состоящий из нескольких лабораторий и университетов, в который входят исследователи из национальных лабораторий Сандии, Лос-Аламоса, Лоуренса Беркли и Ок-Ридж, Массачусетского технологического института, Университета штата Флорида, Бристольского университета, Техасского университета в Остине, Университет Южной Каролины и Нью-Йоркский университет.Самым большим вкладом Сандии в PISCEES стал инструмент анализа, решатель наземного льда под названием Albany / FELIX (Finite Elements for Land Ice eXperiments). Этот инструмент основан на уравнениях, имитирующих поток льда над ледниковыми щитами Гренландии и Антарктики, и в настоящее время подключается к моделям Земли в рамках проекта Accelerated Climate for Energy (ACME).«Одна из целей PISCEES — создать масштабируемый, быстрый и надежный решатель наземного льда в континентальных масштабах», — сказала Ирина Тезаур, ведущий разработчик Albany / FELIX.
Новый решатель не только должен был быть надежным и эффективным, но и было критически важно, чтобы команда разработала решатель, оснащенный функциями нового поколения и расширенными возможностями анализа.Тезаур сказал, что теперь команде необходимо запустить решающую программу на новых и новых компьютерах. Им также необходимо иметь возможность калибровать модели и количественно определять неопределенности в ожидаемом повышении уровня моря.«Данные, которые мы получаем от климатологов, обычно являются измерениями с верхней поверхности льда», — сказала она. «Чтобы инициализировать моделирование ледяного покрова, нам нужна информация о том, что происходит внутри и на дне льда.
Определение свойств льда внутри и в коренных породах — это то, что мы называем калибровкой модели, и требует решения обратной задачи. Многие из наших работа заключалась в разработке и внедрении алгоритмов оптимизации, которые могут надежно и эффективно решать эти обратные задачи ».
Тезаур подчеркивает, что успех PISCEES во многом обусловлен тесным сотрудничеством между гляциологами, разработчиками климатических моделей, учеными-вычислителями и математиками.«Гляциологи и сотрудники ученых-климатологов в PISCEES предоставляют нам наборы данных для использования в нашей модели, а ученые-вычислители придумывают правильные алгоритмы для их эффективного использования», — объясняет она.
Улучшение вычислительного моделированияПроект PISCEES начался в 2012 году, потому что не существовало надежной модели наземного льда в качестве строительного блока для моделей земной системы, которые рассчитывают прогнозы повышения уровня моря для поддержки климатических миссий Министерства энергетики.
Решатель Sandia Albany / FELIX включает расширенные возможности и обеспечивает повышенную надежность, масштабируемость и скорость, сказал Тезаур.
«Всего за три года работы мы создали модель наземного льда следующего поколения, которая является проверенной, масштабируемой, надежной и переносимой на машины с новой и развивающейся архитектурой», — сказал Тезаур. «Эти модели оснащены расширенными возможностями анализа».Решатель Albany / FELIX был написан с использованием так называемой "компонентной" стратегии разработки программного обеспечения, подхода, разработанного учеными-вычислительными специалистами Sandia, в котором новые коды приложений пишутся с использованием зрелых модульных библиотек. Новые решатели, созданные с использованием этого подхода, «рождаются» масштабируемыми: быстрыми, надежными и способными к расширенному анализу, поскольку они основаны на наборе алгоритмов, разработанных и протестированных экспертами в предметной области.
Компоненты Albany / FELIX — это библиотеки Trilinos, коллекция пакетов с открытым исходным кодом, разработанная Sandia. Помимо рекомендаций и реализации стратегии разработки кода на основе компонентов, исследователи Sandia разработали подходы для повышения устойчивости нелинейного решателя. Код Albany / FELIX продемонстрировал масштабируемость до 1 миллиарда неизвестных и десятков тысяч ядер благодаря параллельным масштабируемым итеративным линейным решателям и недавно разработанным Tuminaro методам предварительного кондиционирования.
Детерминированные алгоритмы инверсии и программное обеспечение, разработанные и реализованные Perego, позволили провести тщательную калибровку модели. В сотрудничестве с экспертами из института QUEST SciDAC, Элдредом и Джейкманом была разработана схема прямого и обратного количественного определения неопределенности (UQ). Наконец, Albany / FELIX стал переносимым на машины с новой архитектурой во многом благодаря усилиям компьютерного ученого Ирины Демешко.Проверка и валидация важны
Хотя производительность кода имеет решающее значение для успеха Albany / FELIX, не менее важны верификация и валидация, две процедуры для оценки модели и ее кода. Проверка удостоверяет, что код не содержит ошибок.
Напротив, проверка направлена на проверку того, что физический процесс, описываемый моделью, соответствует тому, что наблюдается в реальном мире.По словам Тезаура, Sandia провела тщательную проверку решателя Albany / FELIX, используя метод готовых решений, сравнение кода с кодом на канонических тестах наземного льда и проведя исследования сходимости реалистичных ландшафтов Гренландии и Антарктиды с реальными данными.
Тезаур объясняет, что в целом валидацию сделать намного сложнее, чем верификацию. Степень, в которой модели ледяного покрова были подтверждены наблюдениями, довольно ограничена, отчасти из-за ограниченной продолжительности эры спутниковых наблюдений и длительных временных масштабов корректировки ледяных щитов. Команда PISCEES проверила, что ее решающая программа предсказывает такие величины ледяного покрова, как скорость поверхности, баланс поверхностной массы, и что эти величины согласуются с прошлыми и недавними наблюдениями.
«Мы находимся в процессе проведения валидационного исследования ледникового щита Гренландии на период 1991-2012 годов», — сказал Тезаур. «Выходные данные модели ледяного покрова будут сравниваться с наблюдениями за высотой поверхности льда и изменениями массы ледяного покрова, полученными с помощью спутников ICESat и IceSat 2, спутников для измерения высоты льда, облаков и суши».Первые результаты показывают многообещающие оценки производительности различных конфигураций моделей.
Набор проверочных и проверочных тестов, известный как Land Ice Validation and Verification Kit, разрабатывается сотрудниками PISCEES в Ок-Ридже и идет рука об руку с усилиями Sandia.