Ученые создадут цифровой двойник Земли для моделирования изменений климата

Цифровой двойник нашей планеты призван в будущем моделировать систему Земли. Он предназначен для поддержки лиц, определяющих политику стран, в принятии соответствующих мер для лучшей подготовки к экстремальным явлениям. В новом стратегическом документе европейских ученых и компьютерных специалистов ETH Zurich показано, как этого можно достичь.

Чтобы стать климатически нейтральным к 2050 году, Европейский Союз запустил две амбициозные программы: Green Deal и DigitalStrategy. В качестве ключевого компонента их успешной реализации ученые-климатологи и компьютерные специалисты запустили инициативу Destination Earth, которая начнется в середине 2021 года и, как ожидается, продлится до десяти лет. В течение этого периода должна быть создана высокоточная цифровая модель Земли — цифровой двойник Земли, чтобы максимально точно отображать развитие климата и экстремальные явления в пространстве и времени.

Данные наблюдений будут постоянно вводиться в цифровой двойник, чтобы сделать цифровую модель Земли более точной для отслеживания эволюции и прогнозирования возможных будущих траекторий изменений. Но в дополнение к данным наблюдений, обычно используемым для моделирования погоды и климата, исследователи также хотят интегрировать в модель новые данные о соответствующей деятельности человека. Новая модель системы Земли будет максимально реалистично отображать практически все процессы на поверхности планеты, включая влияние человека на управление водными ресурсами, продуктами питания и энергией, а также процессы в физической системе.

Цифровой двойник призван стать информационной системой, которая разрабатывает и тестирует сценарии, которые демонстрируют более устойчивое развитие и, таким образом, лучше информируют политику.

«Например, если вы планируете построить двухметровую дамбу в Нидерландах, я могу просмотреть данные в моем цифровом двойнике и проверить, будет ли дамба по-прежнему защищать от ожидаемых экстремальных явлений в 2050 году»

Питер Бауэр, заместитель директора по исследованиям Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) и со-инициатор Destination Earth.

Цифровой двойник также будет использоваться для стратегического планирования поставок пресной воды и продуктов питания или ветряных электростанций и солнечных электростанций.

Исследователи говорят, что нужно учитывать неуклонное развитие погодных моделей с 1940-х годов. Метеорологи первыми начали моделировать физические процессы на крупнейших компьютерах мира. Сегодняшние модели погоды и климата идеально подходят для определения совершенно новых способов эффективного использования суперкомпьютеров для многих других научных дисциплин.

В прошлом при моделировании погоды и климата использовались разные подходы к моделированию системы Земля. В то время как климатические модели представляют собой очень широкий набор физических процессов, они обычно не учитывают мелкомасштабные процессы, которые необходимы для более точных прогнозов погоды, которые, в свою очередь, фокусируются на меньшем количестве процессов. Цифровой двойник объединит обе области и позволит моделировать в высоком разрешении сложные процессы всей системы Земли. Но для этого коды программ моделирования должны быть адаптированы к новым технологиям, обещающим значительно более высокую вычислительную мощность.

С помощью компьютеров и алгоритмов, доступных сегодня, очень сложные симуляции вряд ли могут быть выполнены с запланированным чрезвычайно высоким разрешением в один километр, потому что на протяжении десятилетий разработка кода с точки зрения информатики застопорилась. Климатические исследования выиграли от возможности повысить производительность за счет использования процессоров нового поколения без необходимости кардинально менять свою программу. Этот бесплатный прирост производительности с каждым новым поколением процессоров прекратился около 10 лет назад. В результате современные программы часто могут использовать только 5% максимальной производительности обычных процессоров.

Для достижения необходимых улучшений ученые подчеркивают необходимость совместного проектирования, то есть совместной и одновременной разработки аппаратных средств и алгоритмов, что успешно продемонстрировала команда исследователей в течение последних десяти лет. Они предлагают обратить особое внимание на общие структуры данных, оптимизированную пространственную дискретизацию вычисляемой сетки и оптимизацию длин временных шагов. Ученые также хотят отделить коды для решения научной проблемы от кодов, которые оптимально выполняют вычисления в соответствующей системной архитектуре. Эта более гибкая структура программы позволит быстрее и эффективнее переключиться на будущие архитектуры.

Авторы также видят большой потенциал в искусственном интеллекте. Его можно использовать, например, для ассимиляции данных или обработки данных наблюдений, представления неопределенных физических процессов в моделях и сжатия данных. Таким образом, ИИ позволяет ускорить моделирование и отфильтровать наиболее важную информацию из больших объемов данных. Кроме того, исследователи предполагают, что использование машинного обучения не только делает вычисления более эффективными, но и может помочь более точно описать физические процессы.

Ученые рассматривают свой стратегический документ как отправную точку на пути к созданию цифрового двойника Земли. Среди компьютерных архитектур, доступных сегодня и ожидаемых в ближайшем будущем, суперкомпьютеры на базе графических процессоров (GPU) представляются наиболее многообещающим вариантом. По оценкам исследователей, для работы цифрового двойника в полном масштабе потребуется система с примерно 20 000 графическими процессорами, потребляющая примерно 20 МВт энергии. Как по экономическим, так и по экологическим причинам, такой компьютер должен работать в месте, где генерируемая с нейтралью CO2 электроэнергия доступна в достаточных количествах.

Читать также:

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Ученые обнаружили предел скорости в квантовом мире.

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят.

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Астрономы сфотографировали «детство Вселенной» до появления галактик
Космос
Прощальные кадры: лунный модуль сфотографировал закат на Луне
Наука
Гены загадочных предков людей повлияли на работу мозга, показало исследование
Наука
В Петербурге открыли лабораторию для создания компьютеров, которые имитируют работу мозга
Наука
Телескоп «Евклид» показал 26 млн галактик: опубликованы первые результаты миссии
Космос
Крошечных морских животных увеличили в пять раз, чтобы рассмотреть их клетки
Наука
В Сеченовском Университете появится «умная» операционная 
Новости
Операторы связи начали заменять китайское оборудование на российское
Новости
В России хотят обязать использование отечественных процессоров для ИИ
Новости
Посмотрите на первого робота-гуманоида Nvidia в действии
Новости
Образцы с обратной стороны Луны показали, какой она была в прошлом
Космос
Морские интернет-кабели научились «прослушивать» на предмет саботажа
Новости
Нового рекорда на термоядерном синтезе добились в России
Наука
Российские ученые разработали материалы для памяти будущего  
Наука
Выяснилось, какие мутации ДНК ускоряют старение  
Наука
«Суперджет» с российскими двигателями ПД-8 впервые поднялся в воздух
Новости
Светочувствительные нановолокна ускорили рост нейронов  
Наука
ChatGPT может «заболеть» тревожностью и депрессией, но есть способ его «успокоить»  
Новости
Москва сократила выбросы углерода на 190 000 тонн благодаря электробусам  
Новости
Игуаны совершили рекордное путешествие миллионы лет назад: они проплыли по океану 8 000 км
Наука