Um bis 2050 klimaneutral zu werden, hat die Europäische Union zwei ehrgeizige Programme aufgelegt: den Green Deal
Beobachtungsdaten werden kontinuierlich eingegebenEin digitaler Zwilling, der das digitale Modell der Erde genauer macht, um die Evolution zu verfolgen und mögliche zukünftige Veränderungspfade vorherzusagen. Zusätzlich zu den Beobachtungsdaten, die üblicherweise zur Modellierung von Wetter und Klima verwendet werden, möchten die Forscher auch neue Daten zu relevanten menschlichen Aktivitäten in das Modell integrieren. Das neue Modell des Erdsystems wird praktisch alle Prozesse auf der Oberfläche des Planeten so realistisch wie möglich darstellen, einschließlich des menschlichen Einflusses auf das Management von Wasserressourcen, Nahrungsmitteln und Energie sowie auf Prozesse im physischen System.
Ein digitaler Zwilling soll zu einem Informationssystem werden, das entwickelt und testetSzenarien, die eine nachhaltigere Entwicklung aufzeigen und somitPolitik.
"Wenn Sie zum Beispiel planen, einen Zwei-Meter-Damm in den Niederlanden zu bauen, kann ich mir die Daten in meinem digitalen Zwilling ansehen und sehen, ob dies der Fall sein wirdDer Lee-Damm wird auch im Jahr 2050 die zu erwartenden Extremereignisse schützen."
Peter Bauer, stellvertretender Forschungsdirektor am Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) und MitinitiatorZiel Erde.
Der digitale Zwilling wird auch für die strategische Planung der Frischwasser- und Lebensmittelversorgung oder von Wind- und Solarkraftwerken eingesetzt.
Forscher sagen, was zu beachten iststetige Entwicklung der Wettermuster seit den 1940er Jahren. Meteorologen waren die ersten, die damit begannen, physikalische Prozesse auf den größten Computern der Welt zu modellieren. Die heutigen Wetter- und Klimamodelle sind ideal, um völlig neue Wege zu definieren, um Supercomputer für viele andere wissenschaftliche Disziplinen effizient einzusetzen.
In der Vergangenheit bei der Modellierung von Wetter und Klimaverwendeten verschiedene Ansätze zur Modellierung des Erdsystems. Während Klimamodelle eine sehr breite Palette physikalischer Prozesse darstellen, berücksichtigen sie normalerweise nicht die kleinen Prozesse, die für genauere Wettervorhersagen erforderlich sind, die sich wiederum auf weniger Prozesse konzentrieren. Der digitale Zwilling wird beide Bereiche vereinen und es ermöglichen, die komplexen Prozesse des gesamten Erdsystems in hoher Auflösung zu simulieren. Dazu müssen jedoch die Codes der Simulationsprogramme an neue Technologien angepasst werden, die eine viel höhere Rechenleistung versprechen.
Mit Computern und Algorithmen zur VerfügungBei der geplanten extrem hohen Auflösung von einem Kilometer können heute kaum noch sehr komplexe Simulationen durchgeführt werden, da die Entwicklung von Code aus Informatiksicht seit Jahrzehnten ins Stocken gerät. Die Klimaforschung hat von der Fähigkeit profitiert, die Leistung durch den Einsatz von Prozessoren der nächsten Generation zu verbessern, ohne dass das Programm überarbeitet werden muss. Diese kostenlose Leistungssteigerung mit jeder neuen Prozessorgeneration wurde vor etwa 10 Jahren eingestellt. Infolgedessen können moderne Programme oft nur 5% der maximalen Leistung herkömmlicher Prozessoren nutzen.
Um die notwendigen Verbesserungen zu erreichen, Wissenschaftlerbetonen die Notwendigkeit eines kollaborativen Designs, dh der gemeinsamen und gleichzeitigen Entwicklung von Hardware und Algorithmen, die das Forschungsteam in den letzten zehn Jahren erfolgreich demonstriert hat. Sie schlagen vor, den allgemeinen Datenstrukturen, der optimierten räumlichen Abtastung des berechneten Gitters und der Optimierung der Zeitschrittlängen besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Wissenschaftler möchten auch Codes zur Lösung eines wissenschaftlichen Problems von Codes entkoppeln, die eine optimale Berechnung in der entsprechenden Systemarchitektur durchführen. Diese flexiblere Programmstruktur ermöglicht eine schnellere und effizientere Umstellung auf zukünftige Architekturen.
Die Autoren sehen auch großes Potenzial inkünstliche Intelligenz. Es kann beispielsweise verwendet werden, um Daten zu assimilieren oder Beobachtungsdaten zu verarbeiten, undefinierte physikalische Prozesse in Modellen darzustellen und Daten zu komprimieren. Auf diese Weise kann AI die Modellierung beschleunigen und die wichtigsten Informationen aus großen Datenmengen herausfiltern. Darüber hinaus schlagen die Forscher vor, dass der Einsatz von maschinellem Lernen nicht nur Berechnungen effizienter macht, sondern auch dazu beitragen kann, physikalische Prozesse genauer zu beschreiben.
Wissenschaftler überprüfen ihr Strategiepapierals Ausgangspunkt auf dem Weg zur Schaffung eines digitalen Erdzwillings. Unter den heute verfügbaren und in naher Zukunft erwarteten Computerarchitekturen scheinen Supercomputer auf Basis von Grafikprozessoren (GPUs) die vielversprechendste Option zu sein. Forscher schätzen, dass ein digitaler Zwilling in Originalgröße ein System mit ungefähr 20.000 GPUs und ungefähr 20 Megawatt Leistung benötigt. Ein solcher Computer muss sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus ökologischen Gründen an einem Ort betrieben werden, an dem der mit CO2-Neutral erzeugte Strom in ausreichenden Mengen verfügbar ist.
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