유럽 연합은 타의 추종을 불허하는 정밀도로 대기, 바다, 얼음 및 육지를 시뮬레이션하는 야심 찬 지구의 "디지털 트윈" 계획 을 마무리 하고 수일에서 수년 전부터 홍수, 가뭄 및 화재에 대한 예측을 제공합니다. 그 노력이 불려지는 데스티 네이션 어스는 여기에서 멈추지 않을 것입니다. 또한 인간의 행동을 포착하여 리더들이 사회에 미치는 기상 현상과 기후 변화의 영향을 확인하고 다양한 기후 정책의 영향을 측정할 수 있도록 합니다.
미국 에너지 부 (DOE)의 태평양 북서부 국립 연구소 (Pacific Northwest National Laboratory)의 기후 과학자 인 Ruby Leung은 "정말 대담한 임무입니다. 많은 규모의 상자에 행성의 대기를 렌더링 하여 기존 기후 모델보다 몇 배 더 정밀한 Destination Earth는 이전보다 훨씬 더 상세한 실시간 데이터를 기반으로 예측을 할 수 있습니다. 이번 달 후반에 두 번의 워크숍에서 자세히 설명 할이 프로젝트는 내년에 시작하여 다음 중 하나에서 실행됩니다. 유럽 이 핀란드, 이탈리아, 스페인에 배치 할 세 대의 슈퍼 컴퓨터.
목적지 지구는 극단적인 지구의 재에서 솟아올랐다, 유럽 중거리 기상 예보 센터 (ECMWF)가 10 억 유로의 플래그십 연구 프로그램을 위한 제안. EU는 궁극적으로 주력 프로그램을 취소했지만 아이디어에 대한 관심을 유지했습니다. 유럽이 슈퍼 컴퓨팅에서 중국, 일본, 미국에 뒤처지고 있다는 두려움 때문에 80 억 유로를 투자하여 초당 10 억 번의 계산이 가능한 "엑사 스케일"기계의 토대를 마련하는 유럽 고성능 컴퓨팅 공동 사업이 시작되었습니다..휴면 상태 인 Extreme Earth 제안은 그러한 용량에 대한 완벽한 사용을 제공했습니다. Extreme Earth를 조정하고 새로운 프로그램에 대해 유럽 연합에 자문을 제공 한 ECMWF의 연구 부국장 인 Peter Bauer는 “이는 디지털 인프라에 영혼을 불어넣습니다.
일반적인 기후 모델은 50 또는 100km의 해상도로 실행됩니다. ECMWF의 "European"모델과 같은 상위 모델조차도 9km에서 실행됩니다. 새로운 모델의 1km 해상도는알고리즘 근사에 의존하지 않고 구름과 폭풍 형성에 중요한 열의 수직 전달 인 대류를 직접 렌더링 할 수 있게 합니다.Max Planck 기상학 연구소의 기후 과학자 Bjorn Stevens는 “나는 이것을 기후 모델링의 3차원이라고 부릅니다. 이 모델은 또한 열과 탄소의 중요한 이동 요인 인 소용돌이치는 소용돌이의 동작을 포착할 수 있을 만큼 섬세하게 바다를 시뮬레이션합니다.
일본에서는 1km의 지구 기후 모델을 선구 적으로 실행한 결과 폭풍과 소용돌이를 직접 시뮬레이션하면 단기 강우 예측이 향상되는 것으로 나타났습니다. 그러나 그것은 또한 수개월 및 수년에 걸친 기후 예측을 개선해야 합니다.최근 연구에 따르면 기후 모델은 지역 온도와 강우의 변동을 일으키는 바람 패턴의 예측 가능한 변화를 포착하지 못하는 것으로 나타났습니다. 아마도 모델이 폭풍과 소용돌이를 재현하지 못하기 때문일 것입니다.
고해상도는 또한 Destination Earth가 더 자세한 데이터를 기반으로 예측을 할 수 있도록 합니다.기상 모델은 시뮬레이션을 안내하기 위해 위성, 기상 관측소, 항공기 및 부표의 온도 및 압력 관측을 빨아들입니다. 그러나 거친 격자는 모델이 평균을 잘 내지 못하거나 해빙에서 열리는 골절과 같은 넓은 영역을 포함하지 않는 측정을 동화할 수 없음을 의미합니다. Destination Earth는 이 격차를 좁힐 것이라고 Pierre Simon Laplace Institute의 구름 과학자 인 Sandrine Bony는 말합니다. "해결 된 스케일은 측정된 스케일에 더 가깝습니다."
이 모델은 또한 대기 오염, 작물 성장, 산불 및 날씨와 기후에 영향을 미치는 것으로 알려진 기타 현상을 차트로 보여주는 실시간 데이터를 통합할 것이라고 Barcelona Supercomputing Center의 지구 시스템 과학자 인 Francisco Doblas-Reyes는 말합니다. "내일 화산이 터지면 몇 달 안에 열대성 강우가 떨어질 위험이 있습니다." 그리고 그것은 에너지 사용, 교통 패턴, 인간의 움직임 (휴대폰으로 추적)과 같은 사회에 관한 데이터로 접힐 것입니다.
목표는 정책 입안자들이 기후 변화가 사회에 미치는 영향과 사회가 기후 변화의 궤적을 어떻게 바꿀 수 있는지 직접 측정할 수 있도록 하는 것입니다. 예를 들어, 이 모델은 기후 변화가 브라질의 농업 및 이주 패턴에 어떤 영향을 미칠지 예측할 수 있으며 에탄올 보조금 삭감이 아마존의 삼림 벌채를 제한할 수 있는 방법도 예측할 수 있습니다. 현재 기후 과학자들은 지구 기후 모델에서 지역 결과를 추출하여 농업 또는 경제 전문가에게 전달하여 인간 행동에 미치는 영향을 이해합니다. 이제 적십자 적신 월사 기후 센터의 기후 위험 과학자 인 Erin Coughlan de Perez는 모델러가 "날씨가 어떨지 예측하는 것에서 날씨가 어떤 일을 하게 될지"로 이동하고 있다고 말합니다.
거기에 도착하는 것은 쉽지 않을 것입니다. 엑사 스케일 슈퍼 컴퓨터는 집약적인 계산을 효율적으로 처리하는 그래픽 처리 장치 (GPU)뿐만 아니라 기존의 컴퓨터 칩에 의존합니다. GPU는 모델 구성 요소를 병렬로 실행하고 인공 지능 알고리즘을 교육하는 데 유용합니다. Destination Earth는 성능 향상을 위해 두 가지 기술을 사용합니다. 그러나 오래된 기후 모델링 코드는 다시 작업해야 합니다.ECMWF는 앞서 출발했습니다. 예측 모델을 GPU 기반 환경에 적용하고 있으며 작년에 일본 기계가 최근에 가라앉을 때까지 세계에서 가장 빠른 미국 슈퍼 컴퓨터 인 Summit 에서 시뮬레이션된 4 개월 동안 1km 해상도로 테스트했습니다.
모델에 의해 생성되는 엄청난 양의 데이터는 그 자체로 문제가 될 것입니다. 일본 팀이 1km 규모의 실험을 수행했을 때 며칠의 데이터에서 유용한 정보를 추출하는 데 반년이 걸렸다 고 Doblas-Reyes는 말합니다. "데이터에 액세스하고 데이터로 영리한 작업을 수행하려고 할 때 병목 현상이 발생합니다." Destination Earth의 큰 부분은 실시간으로 모델 결과를 분석하는 방법을 설계하여이 문제를 해결하는 것입니다.
운영 시스템으로서 Destination Earth는 여러 시간 척도로 실행될 것이라고 Bauer는 말합니다. 하나는 거의 매일, 아마도 앞으로 몇 주 또는 몇 달 동안 개별적인 극한 기상 이벤트를 목표로 할 것입니다. 다른 모드 (장기 예측)에서의 실행은 덜 빈번할 것입니다. 아마도 반년 정도마다 10 년에 걸친 기후 예측이 이루어집니다. 바우어는“이게 효과가 있다면 다른 국가들이 따라야 할 템플릿이 될 수 있습니다.
유럽인 만이 엑사 스케일 기후 모델을 계획하는 것은 아닙니다. DOE의 지구 시스템 모델의 수석 과학자로 일하고 있는 Leung은 “우리도 그 방향으로 나아가고 있지만 아직 그 수준에 도달하지 못했습니다.
Stevens는 날씨와 기후에 대한 속담적인 나비 효과뿐만 아니라 지역 인간의 행동이 전 세계적으로 어떻게 나타나는지 밝혀 낼 수 있는 진정한 행성 규모의 정보 시스템에 참여하게 되어 매우 기쁩니다. “그것이 세계화의 이야기입니다. 그것이 인류 세의 이야기입니다. 그리고 이것은 여러분이 그것들을 탐구할 수 있게 해주는 과학적 플랫폼입니다.”
By Paul Boosen
Source: www.sciencemag.org/news/2020/10/europe-building-digital-twin-earth-revolutionize-climate-forecasts
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