Європейські вчені створять високоточну цифрову модель цифровий двійник Землі, щоб максимально точно відображати розвиток клімату та екстремальні явища у просторі й часі.
Проєкт Destination Earth реалізує Швейцарська вища технічна школа Цюріха(ETH Zurich) у рамках програм Green Deal і DigitalStrategy.
Цифровий двійник нашої планети дозволить особам, які визначають політику країн, приймати відповідні заходи для кращої підготовки до екстремальних явищ.
Дані спостережень будуть постійно вводитися у цифровий двійник, щоб зробити цифрову модель Землі більш точною для відстеження еволюції і прогнозування можливих майбутніх траєкторій змін. Але на додаток до даних спостережень, які зазвичай використовуються для моделювання погоди та клімату, дослідники також хочуть інтегрувати в модель нові дані про відповідну діяльність людини. Нова модель системи Землі буде максимально реалістично відображати практично всі процеси на поверхні планети, включаючи вплив людини на управління водними ресурсами, продуктами харчування та енергією, а також процеси у фізичній системі.
Цифровий двійник покликаний стати інформаційною системою, яка розробляє і тестує сценарії, які демонструють більш стійкий розвиток і, таким чином, краще інформують політику.
«Наприклад, якщо ви плануєте побудувати двометрову дамбу у Нідерландах, я можу переглянути дані у моєму цифровому двійнику і перевірити, чи буде дамба як і раніше захищати від очікуваних екстремальних явищ у 2050 році, – каже Пітер Бауер, заступник директора з досліджень Європейського центру середньострокових прогнозів погоди (ECMWF) і спів-ініціатор Destination Earth. – Цифровий двійник також буде використовуватися для стратегічного планування постачання прісної води та продуктів харчування або вітряних та сонячних електростанцій».
Дослідники кажуть, що потрібно враховувати неухильний розвиток погодних моделей з 1940-х років. Метеорологи першими почали моделювати фізичні процеси на найбільших комп’ютерах світу. Сьогоднішні моделі погоди та клімату ідеально підходять для визначення абсолютно нових способів ефективного використання суперкомп’ютерів для багатьох інших наукових дисциплін.
У минулому при моделюванні погоди і клімату використовувалися різні підходи до моделювання системи Земля. Хоча кліматичні моделі є дуже широким набором фізичних процесів, вони, як правило, не враховують невеликі процеси, необхідні для більш точних прогнозів погоди, які, у свою чергу, зосереджуються на меншій кількості процесів. Цифровий двійник об’єднає обидві області і дозволить моделювати у високій роздільній здатності складні процеси всієї системи Землі. Але для цього коди програм моделювання повинні бути адаптовані до нових технологій, що обіцяють значно вищу обчислювальну потужність.
За допомогою комп’ютерів і алгоритмів, доступних сьогодні, дуже складні симуляції навряд чи можуть бути виконані з запланованим надзвичайно високою роздільною здатністю в один кілометр, тому що протягом десятиліть розробка коду з точки зору інформатики застопорилася. Кліматичні дослідження виграли від можливості підвищити продуктивність завдяки використання процесорів нового покоління без необхідності кардинально змінювати свою програму. Цей безкоштовний приріст продуктивності з кожним новим поколінням процесорів припинився близько 10 років тому. В результаті сучасні програми часто можуть використовувати тільки 5% максимальної продуктивності звичайних процесорів.
Аби досягнути необхідних поліпшень, підкреслюють вчені, необхідно спільно проєктувати, тобто спільно і одночасно розробляти апаратні засоби і алгоритми, що успішно продемонструвала команда дослідників протягом останніх десяти років. Вони пропонують звернути особливу увагу на загальні структури даних та оптимізовану просторову дискретизацію обчислюваної сітки.
Вчені також хочуть відокремити коди для вирішення наукової проблеми від кодів, які оптимально виконують обчислення у відповідній системній архітектурі. Ця більш гнучка структура програми дозволить швидше і ефективніше переключитися на майбутні архітектури.
Автори також бачать великий потенціал у штучному інтелекті, який можна використовувати, наприклад, для асиміляції даних або обробки даних спостережень, представлення невизначених фізичних процесів у моделях і стиснення даних. Таким чином, штучний інтелект дозволяє прискорити моделювання і відфільтрувати найбільш важливу інформацію з великих обсягів даних. Крім того, дослідники припускають, що використання машинного навчання не тільки робить обчислення більш ефективними, але і може допомогти більш точно описати фізичні процеси.
Вчені розглядають свій стратегічний документ як відправну точку на шляху до створення цифрового двійника Землі. Серед комп’ютерних архітектур, доступних сьогодні і очікуваних у найближчому майбутньому, суперкомп’ютери на базі графічних процесорів (GPU) представляються найбільш багатообіцяючим варіантом. За оцінками дослідників, для роботи цифрового двійника у повному масштабі буде потрібно система з приблизно 20 000 графічними процесорами, що споживає приблизно 20 МВт-год енергії. Як з економічних, так і з екологічних причин, такий комп’ютер повинен працювати у місці, де генерується з нейтраллю CO2 електроенергія доступна в достатніх кількостях.
Високоточну цифрову модель Землі почнуть створювати у середині 2021 року. Очікується, що процес триватиме до десяти років.
Натхнення: ecotown.com.ua