LA MODELLISTICA NUMERICA AL SERVIZIO DELLE SCIENZE DELL’ATMOSFERA E DEL CLIMA

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A MODELLISTICA NUMERICA AL SERVIZIO

DELLE SCIENZE DELL’ATMOSFERA E DEL CLIMA

La modellazione dell’atmosfera e del clima e l’uso massiccio dei calcolatori sono sempre avanzati in stretta connessione. Tale legame è richiesto, principalmente, dalle caratteristiche delle ricerche che vengono ese-guite, poiché l’elaborazione di grandi quantità di dati va di pari passo con la speranza di ottenere risultati in tempo quasi reale. Da un lato la messa a punto di nuovi tool e tecniche numeriche, dall’altro l’avvento di calcolatori sempre più potenti, hanno reso concreta la possibilità sia di eseguire, in modo più efficiente, simulazioni con modelli differenti (ad esempio atmosfera ed oceano) in esecuzione allo stesso tempo, sia di lavorare con griglie a risoluzione sempre più elevata allo scopo di studiare, simulare e prevedere fenomeni progressivamente più complessi.

Offerta

Il Gruppo di Matematica Computazionale del CASPUR, fin dalla sua fondazione, ha studiato approfondita-mente l’atmosfera e il clima, mettendo a disposizione le proprie competenze sia nell’ambito della numerica che in quello del calcolo. Nel corso degli anni, inoltre, sono state esaminate le tecniche di ottimizzazione sulle varie architetture di calcolo, analizzati nuovi metodi numerici, ricercati e sperimentati nuovi pacchetti allo scopo di fornire strumenti che potessero soddisfare le esigenze degli utenti e delle comunità scientifiche. Il lavoro svolto ha permesso di consolidare collaborazioni pluriennali e ha contribuito a crearne delle nuove con gruppi di ricerca sia nazionali che internazionali.

Collaborazioni

Tra le collaborazioni principali emerge quella con il CNMCA per gli studi meteorologici. Grazie a questa intesa, il CASPUR partecipa attivamente alla realizzazione del progetto europeo POMPA con l’obiettivo di rea-lizzare una versione accelerata e stabile del codice COSMO utilizzato per le previsioni meteo nazionali.

La collaborazione, avviata recentemente, con l’Istituto delle Scienze dell’Atmosfera e del Clima del CNR sul tema dello sviluppo di un cosiddetto “Earth System Model” è inserita all’interno del Consorzio EC EARTH, tra le cui attività è previsto un working group coordinato dal Prof. Provenzale del CNR-ISAC di Torino. Questo progetto di valenza europea mira a definire il clima passato, presente e futuro su scala globale e a focalizzare i risultati di questi studi in aree geografiche particolarmente “critiche”, ossia di difficile accesso e caratterizzate da con-dizioni ambientali complesse ed estreme, come le regioni di alta montagna o in mare aperto.

Fig. 1 Valori dell’energia cinetica media mensile associata alle correnti marine comprese tra 15 e 30 m di profondità nell’intero dominio del Mediterraneo. Le correnti sono state simulate dal modello MITgcm.

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AL REPOR

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Bibliografia essenziale

Hazeleger, W., et al. (2009). EC-Earth: A seamless prediction approach to earth system modeling. IOP Conf. Series: Earth Environ. Sci. 6(5), 052002.

Schattler, U., Krenzien, E. (1997). The parallel ‘Deutschland-Modell’. A message passing version for distributed memory computers. Parallel Computing 23(14), 2215-2226.

Sannino, G., Herrmann, M., Carillo, A., Rupolo, V., Ruggiero, V., Artale, V., Heimbach, P. (2009). An eddy-permitting model of the Mediterranean Sea with a two-way grid refinement at tre Strait of Gibral-tar. Ocean Modeling 30(1), 56-72.

Con il gruppo UTMEA dell’ENEA, infine, è attiva una collaborazione pluriennale che ha come obiettivo lo sviluppo e l’ottimizzazione di codici per la simulazione della circolazione oceanica. Il CASPUR sta lavorando alla scrittura di un pacchetto da inserire all’interno del codice MITgcm per la realizzazione, in modo automatico, del raffinamento della griglia del modello di simula-zione. Inoltre, è stato realizzato l’accoppiamento del MITgcm con il modello atmosferico RegCM mediante il modulo OASIS sviluppato dal Centre Européen de Recherche et de Formation Avan-cée en Calcul Scientifique di Tolosa.

Risultati

Forte delle sue competenze nelle nuove tecnologie GPU e nelle tecniche di porting, il CASPUR, nel 2011, ha collaborato con il CNMCA per realizzare una versione CUDA per la mi-crofisica del modello COSMO che ha prodotto, in breve tempo, interessanti risultati presentati lo scorso settembre nel corso del meeting COSMOGM 2011 svoltosi a ROMA. A tale proposito è stato adottato il tool per direttive F2C-ACC (M. Govett – NOAA, USA) al cui sviluppo il CA-SPUR partecipa attraverso feedback e suggerimenti.

L’attività di collaborazione con l’ENEA nel 2011 si è svolta principalmente all’interno del progetto triennale finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico dal titolo “Ricerca di Si-stema Elettrico”. Il programma prevede attività di ricerca e sviluppo finalizzate a ridurre il costo dell’energia elettrica per gli utenti finali, a migliorare l’affidabilità del sistema e la qualità del servizio, a ridurre l’impatto del sistema elettrico sull’ambiente e sulla salute ed a consentire l’utilizzo razionale delle risorse energetiche assicurando, così, al Paese le migliori condizioni per uno sviluppo sostenibile. La parte di competenza dell’ENEA ha riguardato lo studio della possibilità di estrarre energia dalle onde (attraverso l’uso del WAM) e dalle correnti marine (attraverso l’uso del MITgcm) del Mediterraneo. I risultati scientifici ottenuti sono stati riportati all’interno di report consegnati al Ministero. La realizzazione della prima versione del pacchetto per il raffinamento della griglia del codice MITgcm, attualmente scaricabile dal sito del Mas-sachusetts Institute of Technology, ha rappresentato un altro importante risultato raggiunto.

Per quanto riguarda la collaborazione con il CNR-ISAC, il modello EC-Earth è stato instal-lato, insieme ai ricercatori del CNR, sul supercalcolatore del CASPUR Matrix. La complessità del codice di calcolo e la scelta del numero di processori (cores) ottimale per questo modello è stata oggetto di numerose simulazioni, volte anche a definire e quantificare le richieste di potenza di calcolo e di storage necessarie a una tipica simulazione climatica.