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?