Nuovi modelli collegano il tempo e il clima

Piogge intense, grandinate e inondazioni: Le ultime settimane nella regione alpina e nell'Europa nord-occidentale hanno reso evidente l'impatto delle tempeste estreme. Ma in che modo gli eventi meteorologici estremi sono esattamente legati al riscaldamento globale? Si tratta di una domanda fondamentale per i ricercatori che si occupano delle interazioni tra tempo e clima e della loro modellazione.

I modelli sono un mezzo per comprendere queste interazioni. Mappano i processi fisici di base per calcolare gli sviluppi probabili. Con i modelli e le infrastrutture informatiche di oggi, tuttavia, i ricercatori stanno incontrando dei limiti per quanto riguarda l'accuratezza delle loro affermazioni sulle interrelazioni tra tempo e clima. Per questo motivo il Politecnico di Zurigo e i suoi partner hanno lanciato l'iniziativa di ricerca EXCLAIM. L'obiettivo è quello di aumentare significativamente la risoluzione spaziale dei modelli per aumentarne la precisione e simulare direttamente il clima in un mondo futuro e caldo su scala globale.

Mappare senza soluzione di continuità il tempo nel modello climatico

"Grazie alla loro alta risoluzione, i nuovi modelli globali mapperanno processi importanti come le tempeste e i sistemi meteorologici in modo molto più dettagliato rispetto a quanto avveniva in precedenza. In questo modo, possiamo studiare con maggiore precisione come i cambiamenti climatici e gli eventi meteorologici si influenzano a vicenda", afferma Nicolas Gruber, responsabile di EXCLAIM (vedi riquadro sotto) e professore di fisica ambientale.

I ricercatori puntano a un vero e proprio salto di scala nella risoluzione spaziale dei modelli meteorologici e climatici: Per simulare il tempo e il clima globale con tutti i suoi dettagli regionali, i loro modelli posizionano una griglia virtuale tridimensionale sul globo. Sulla base di leggi fisiche, i ricercatori calcolano poi le rispettive condizioni climatiche per ogni punto dei loro modelli. Nei modelli climatici globali di oggi, questi punti distano tra loro dai 50 ai 100 chilometri. Con EXCLAIM, i ricercatori puntano a una risoluzione di un solo chilometro a lungo termine.

Poiché la potenza di calcolo degli attuali computer ad alte prestazioni è limitata, finora è possibile simulare il tempo atmosferico con una risoluzione così fine solo a livello regionale e solo per periodi di tempo relativamente brevi. Nei nuovi modelli, i ricercatori vogliono ora raggiungere questa risoluzione a maglia fine anche a livello globale, per simulare gli eventi meteorologici da una prospettiva climatica globale in modo molto più nitido rispetto al passato. È come dotare i modelli climatici globali di una funzione di zoom aggiuntiva per gli eventi su piccola scala.

"I nuovi modelli possono essere utilizzati anche per fare 'previsioni del tempo' nel clima futuro e per trovare risposte su come eventi estremi come le forti precipitazioni di quest'estate potrebbero manifestarsi in futuro", afferma Christof Appenzeller, responsabile della divisione Analisi e Previsioni di MeteoSvizzera.

Infrastruttura ad alte prestazioni per le simulazioni climatiche

Affinché i nuovi modelli possano sfruttare i loro vantaggi, è necessaria un'infrastruttura informatica personalizzata. Dopo tutto, i modelli meteorologici e climatici sono tra i problemi più impegnativi dal punto di vista computazionale e dei dati. Presso EXCLAIM, i modelli sono quindi sviluppati insieme all'hardware e al software dei computer ad alte prestazioni: "L'infrastruttura di calcolo e di dati è interamente realizzata in base alle esigenze dei modelli meteorologici e climatici", spiega Thomas Schulthess, direttore del Centro nazionale svizzero di supercalcolo di Lugano. Il nuovo sistema di supercalcolo "Alps", ad esempio, è costruito in modo tale che i modelli climatici ad alta risoluzione possano anche mappare bene i sistemi convettivi come i temporali.

Affinché il tempo e il clima possano essere effettivamente simulati a livello globale e per decenni con una maglia di pochi chilometri, il modello deve funzionare circa 100 volte più velocemente di quanto sia possibile fare attualmente. Il primo modo per raggiungere questo obiettivo è utilizzare computer più veloci e più grandi. A questo contribuirà il passaggio dall'attuale computer ad alte prestazioni del CSCS al sistema "Alps".

Una sfida in questo senso è la fine della "Legge di Moore", secondo la quale le prestazioni dei processori raddoppiano ogni 20 mesi circa: "Poiché le prestazioni seriali dei processori non sono aumentate per circa 15 anni, l'unico modo per aumentare le prestazioni dei supercomputer è migliorare la loro architettura parallela", afferma Thomas Schulthess e aggiunge: "Inoltre, vale la pena di impostare l'architettura di un supercomputer in modo che possa risolvere in modo ottimale determinate classi di problemi di ricerca". Un ruolo importante per la potenza di calcolo è svolto da un'architettura di computer mista in cui i processori principali convenzionali, le CPU (Central Processing Unit), responsabili dei calcoli e dello scambio di dati tra memoria e componenti, sono utilizzati insieme alle GPU (Graphical Processing Unit).

La seconda opzione parte dal software e consiste nell'ottimizzare il codice del modello e adattarlo meglio all'architettura informatica mista. EXCLAIM segue un approccio rivoluzionario in cui il codice sorgente è diviso in una prima parte, che rappresenta l'interfaccia per gli sviluppatori e gli utenti del modello, e un'infrastruttura software sottostante in cui gli algoritmi centrali del modello sono implementati in modo altamente efficiente per il rispettivo hardware. CSCS, MeteoSvizzera e C2SM stanno già perseguendo con successo questo approccio nell'attuale modello meteorologico di MeteoSvizzera. Ora il loro approccio viene applicato al modello meteorologico e climatico ICON. "Con questo approccio siamo riusciti a velocizzare il modello meteorologico di MeteoSvizzera di un fattore 10, consentendo a MeteoSvizzera di migliorare l'affidabilità delle sue previsioni", spiega Schulthess.

Gestire la marea di dati

La pura velocità di calcolo non è il fattore decisivo: se la risoluzione dei modelli aumenta, i volumi di dati aumentano in modo massiccio. Inoltre, la ricerca meteorologica e climatica richiede e produce dati molto diversi. Per ottenere un throughput efficace, è altrettanto fondamentale che i computer possano accedere ai dati il più rapidamente possibile e scrivere i risultati sui supporti di memorizzazione. I processi di elaborazione devono essere organizzati di conseguenza, massimizzando la larghezza di banda dello storage ed evitando costosi trasferimenti di dati. "Affinché i nuovi modelli meteorologici e climatici producano risultati utili, dobbiamo ottimizzare l'intera infrastruttura. A tal fine, applichiamo l'esperienza acquisita in molti anni di collaborazione con MeteoSvizzera e il Settore ETH", afferma Schulthess.

EXCLAIM è interdisciplinare

Oltre ai ricercatori sul clima dell'ETH Centre for Climate Modelling (C2SM), gli informatici dell'ETH, il Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS), il Centro svizzero di scienza dei dati (SDSC), l'istituto di ricerca Empa e l'Ufficio federale di meteorologia e climatologia MeteoSvizzera. La collaborazione è finalizzata non solo a migliorare la modellazione della ricerca sul clima, ma anche le previsioni meteorologiche di MeteoSvizzera. I partner internazionali del progetto includono il Servizio meteorologico tedesco (DWD) e l'Istituto Max Planck per la meteorologia (MPI-M), che il sistema modello ICONA (Icosahedral Nonhydrostatic), che costituisce la base di EXCLAIM, e il Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Raggio (ECMWF), di cui la Svizzera è membro a pieno titolo.