|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Развитие модели деятельного слоя суши ИВМ РАН - МГУ. Моделирование и прогноз выбросов и поглощения углекислого газа и метана антропогенно-управляемыми экосистемами сушиНИР
Development of the INM RAS-MSU Land Surface Model. Simulation and Projection of Carbon Dioxide and Methane Emissions and Absorption by Anthropogenic Managed Terrestrial Ecosystems
- Руководитель НИР: Степаненко В.М.
- Участники НИР: Ахтамьянов Р.А., Баронов А.В., Богомолов В.Ю., Варенцов М.И., Воеводин В.В., Гладских Д.С., Дебольский А.В., Криницкая Н.А., Ломов В.А., Медведев А.И., Мортиков Е.В., Романенко В.А., Рязанова А.А., Суязова В.И., Ткаченко Е.В., Файкин Г.М., Шангареева С.К., Энтин А.Л.
- Подразделение: 4.03.Лаборатория суперкомпьютерного моделирования природно-климатических процессов
- Срок исполнения: 19 апреля 2023 г. - 30 сентября 2024 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 2-223/ВИПГЗ-23
- Номер ЦИТИС: 123042400017-2
- Тип: Прикладная
- Приоритетное направление научных исследований: Математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным исследованиям в различных областях знаний и в нанотехнологиях
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: возможность эффективного ответа российского общества на большие вызовы
- ПН России: Рациональное природопользование
- Направление технологического прорыва России: Стратегические информационные технологии
- Критическая технология России: Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 27.35.63 Математические модели геофизики и метеорологии
- 37.23.31 Моделирование климата. Прогноз климата
- Классификатор OECD: Метеорология и науки об атмосфере
-
Ключевые слова:
метан, экосистемы суши, модель деятельного слоя суши ивм ран-мгу, углекислый газ, антропогенное воздействие
terrestrial ecosystems, inm ras-msu land surface model, methane, carbon dioxide, anthropogenic impact -
Описание:
Разработка глобальной модели земной системы мирового уровня для исследовательских целей и сценарного прогнозирования климатических изменений, повышение точности климатических моделей и надежности климатических прогнозов, в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ»
-
Планируемые результаты:
Разработка и включение в Модель Земной системы ИВМ РАН усовершенствованного блока моделирования деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, прогноз выбросов и поглощения СО2 и метана антропогенно-управляемыми экосистемами суши (электронные карты).
-
Научный задел:
Основные результаты руководителя проекта В.М. Степаненко связаны с параметризацией гидрологических процессов на суше для математических моделей прогноза погоды и климата. Создана численная модель водоёма LAKE, описывающая основные физические процессы в слоях воды, почвы, льда и снега, а также – впервые в мире – биогеохимические процессы, контролирующие содержание и потоки в атмосферу парниковых газов метана и углекислого газа (Stepanenko et al., 2011; Stepanenko et al., 2016) (сводный список литературы приведён в разделе “Содержание проекта”). В последней версии модели введены эффекты проточности, что позволяет применять её к водохранилищам (Степаненко и др., 2020). Проведено несколько международных экспериментов по сравнению одномерных моделей водоёма, выявивших сильные и слабые стороны моделей и позволивших сформулировать рекомендации по их дальнейшему развитию (Stepanenko et al., 2010, 2014; Guseva et al., 2021). В настоящее время модель принимает участие в международном проекте сравнения моделей ISIMIP2b (Vanderkelen et al., 2020; Woolway et al., 2021, Grant et al., 2021). Под руководством В.М. Степаненко модель LAKE внедрена в одну из версий модели Земной системы ИВМ РАН (Bogomolov et al., 2016). Создана параметризация речной сети в модели деятельного слоя суши ИВМ РАН – МГУ. Впервые в мире для подобного рода моделей для каждой реки решаются уравнения гидродинамики (диффузионной волны) и притока тепла (Степаненко и др., 2019). Реализованы численные схемы решения уравнений термогидродинамики, ориентированные на область применения модели: от расчетов коротких экстремальных событий до вычислений на климатических масштабах времени. Модель показала высокое качество воспроизведения расхода и температуры воды на примере р. Северная Двина и Колыма (Medvedev and Stepanenko, 2020).
-
Основные результаты:
Настоящая работа выполняется в рамках мероприятия «Обеспечение повышения точности климатических моделей и надежности климатических прогнозов» важнейшего инновационного проекта государственного значения «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ» (ВИП ГЗ). На отчётном этапе получены следующие результаты: • Переработанная модель деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, с явным описанием и документированием интерфейсов, библиотек параллельных обменов, библиотек ввода/вывода, соответствующая блок-схеме модели Земной системы ИВМ РАН и включающая элементы технологии OpenMP; • Программное обеспечение для подготовки входных данных о параметрах рельефа, почвы, растительности, рек и водоёмов, городских поверхностей для модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ; • Процедуры оценки будущих выбросов и поглощения углекислого газа и метана управляемыми лесами и искусственно обводнёнными/осушенными территориями; • Новая версия модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, включающей углеродный и азотный цикл в почве и растительности; получены предварительные оценки выбросов и поглощения углекислого газа и метана управляемыми лесами и искусственно обводнёнными/осушенными территориями в идеализированных постановках. Программное обеспечение для подготовки входных данных о параметрах деятельного слоя для моделей Земной системы создано в России впервые и позволит существенно уточнить в модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ и МЗС ИВМ РАН географическое распределение составляющих углеродного баланса. Результаты сравнения рассчитанного распределения запасов углерода в растительности с данными ИКИ РАН это подтверждают. Кроме того, в модель деятельного слоя впервые включены в тестовом режиме блоки пожаров, углеродного баланса болот и термодинамики и биохимии водохранилищ.
- Добавил в систему: Степаненко Виктор Михайлович
Источник финансирования НИР
| Хоздоговор, Важнейший инновационный проект государственного значения "Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ" |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 19 апреля 2023 г.-30 июня 2023 г. | Переработка модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ |
| Результаты этапа: • Переработанная модель деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, с явным описанием и документированием интерфейсов, библиотек параллельных обменов, библиотек ввода/вывода, соответствующая блок-схеме модели Земной системы ИВМ РАН и включающая элементы технологии OpenMP; • Программное обеспечение для подготовки входных данных о параметрах рельефа, почвы, растительности, рек и водоёмов, городских поверхностей для модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ | ||
| 2 | 1 июля 2023 г.-15 декабря 2023 г. | Разработка модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, включающей углеродный и азотный цикл в почве и растительности |
| Результаты этапа: • Процедуры оценки будущих выбросов и поглощения углекислого газа и метана управляемыми лесами и искусственно обводнёнными/осушенными территориями; • Новая версия модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, включающей углеродный и азотный цикл в почве и растительности; получены предварительные оценки выбросов и поглощения углекислого газа и метана управляемыми лесами и искусственно обводнёнными/осушенными территориями в идеализированных постановках | ||
| 3 | 15 февраля 2024 г.-30 июня 2024 г. | Оптимизация параллельной реализации модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ |
| Результаты этапа: Оптимизированная схема декомпозиции расчётных областей и параллельных обменов для модели деятельного суши ИВМ РАН-МГУ В базовой версии модели деятельного суши ИВМ РАН-МГУ применяется гибридная параллельная реализация MPI+OpenMP. Двумерная расчётная область разбивается на равные отрезки по широте и долготе, соответствующие заданному количеству MPI-процессов по каждой из координат. Внутри каждого MPI-процесса порождается заданное число OpenMP-нитей с разбиением подобласти по широте. В случае наличия внутри расчётной области больших океанических акваторий это приводит к тому, что процессы, доля которых примерно равна доли площади поверхности океана, простаивают. Требуется новый метод декомпозиции регулярной расчётной сетки на регулярную сетку MPI-потоков, минимизирующий разбалансировку вычислительной нагрузки. Разработан новый метод оптимизации балансировки вычислительной нагрузки между MPI-процессами. Вводится метрика вычислительной сложности интегрирования системы уравнений модели в одной ячейке N_(i,j)=ε+δ_(i,j) (1+α_L δ_(L,i,j) ), тогда метрика вычислительной сложности обработки MPI-области есть M_(k,l)=∑_((i,j)∈D_(k,l))▒N_(i,j) (D_(k,l) – множество ячеек в подобласти с индексами (k,l)), δ_(i,j) – маска суши, δ_(L,i,j) – маска внутренних водоёмов, α_L – отношение вычислительной сложности модели водоёма к сложности модели «почва-растительность». Далее вводится мера разбалансировки вычислительной нагрузки как отношение максимальной вычислительной сложности MPI-подобластей к минимальной: M=max〖M_(k,l) 〗⁄min〖M_(k,l) 〗 . Такая метрика оправдана наличием точек синхронизации MPI-процессов в коде, например, при чтении/записи netcdf-файлов. Пусть n_k – число ячеек вдоль долготы, а m_l – число ячеек вдоль широты в MPI-подобласти D_(k,l). Общая задача оптимизации декомпозиции ставится следующим образом: найти такое разбиение сеточной расчётной области модели по MPI-процессам (n_1,n_2,…,n_(K_φ ) )×(m_1,m_2,…,m_(K_λ ) ) при фиксированных целых числах K_φ≥1 и K_λ≥1, такое, что M принимает минимальное значение при условии ∑_(i=1,K_φ)▒〖n_i=n〗, ∑_(i=1,K_λ)▒〖m_i=m〗 (n и m – число ячеек в расчётной области вдоль долготы и широты, соответственно). Алгоритм приближённого решения данной задачи заключается в решении задачи сначала для n_i при фиксированных m_i, затем при найденных n_i находятся оптимальные m_i, после чего при полученных m_i снова ищутся оптимальные n_i и т.д. до сходимости. На каждом этапе задача оптимизации равносильная поиску минимума на гиперплоскости, которая линейной заменой переменных сводится к поиску глобального минимума в пространстве размерности K_φ-1 или K_λ-1. Упрощённый вариант изложенного выше алгоритма реализован для случая K_φ=1. Использована метрика M_*, пропорциональная M; M_* есть максимальное значение среди сумм взвешенных ячеек в каждой подобласти, где вес ячейки равен 1, если это суша, 0.1 – если лёд, 2 – суша и озеро, 0 – океан. Оптимальное разбиение при K_λ=100 имеет метрику M_*=1272.8 (78-кратное ускорение по сравнению с однопоточным вариантом). Создание документации по модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ Документация модели преследует задачу детального описания математического аппарата модели, скрывающихся за ним физических приближений и программной реализации для корректной интерпретации пользователями модели результатов численных экспериментов, а также облегчения освоения программного кода новыми разработчиками. Создан прототип документации модели деятельного слоя суши (ДСС) ИВМ РАН-МГУ. Документация содержит два уровня – внутренний и внешний. Внутренний уровень представляет собой комментарии в исходном программном коде, оформленные с разметкой системы автоматической сборки технической документации doxygen. Комментарии описывают функционал и интерфейс программных единиц кода. Утилита doxygen собирает подробный отчёт о структуре кода (перечень подпрограмм, функций, модулей, переменных, интерфейсов), включая графы вызовов. Внешняя документация собирается отдельно и представляет собой файл pdf, излагающий основы физической и математической формулировки задачи с привязкой к основным структурным элементам программного кода. Научная (внешняя) документация включает следующие компоненты: -- математическая постановка задачи: дифференциальные уравнения в частных производных, граничные условия, замыкающие алгебраические соотношения; -- дискретизация дифференциальных задач, алгоритмы решения сеточных уравнений; -- спецификация параметров дифференциальных задач; -- отображение алгоритмов на структуру исходного программного кода модели (соответствия математическая переменная – переменная кода, алгоритм – процедура). Основные разделы внешней документации включают: Блок теплового и водного баланса: уравнения тепловлагопереноса в системе «почва-растительность», постановка граничных условий на границе деятельный слой-атмосфера, включая метод представления подсеточной неоднородности (Рисунки 4, 5), схема потоков в приземном слое Углеродный цикл: уравнения динамики запасов углерода в почве, растительности, а также пула, пополняемого за счёт обезлесения и эрозии почвы; отдельно рассмоотрена параметризация динамики запасов в углерода в болотах; Блок лесных пожаров Блок метанового цикла: генерация, диффузионный и пузырьковый перенос метана в болотах Блок водоёмов: описание модели термогидродинамики и биогеохимии озёр LAKE Блок речной сети: гидродинамика и термодинамика рек в рамках приближения диффузионной волны Входные и выходные данные Программная реализация Объём внешней документации на момент настоящего отчёта составляет 84 с. | ||
| 4 | 1 июля 2024 г.-30 сентября 2024 г. | Инсталляция переработанной модели деятельного слоя суши в модель Земной системы ИВМ РАН |
| Результаты этапа: На отчётном этапе получены следующие результаты: • Переработанная модель деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, с явным описанием и документированием интерфейсов, библиотек параллельных обменов, библиотек ввода/вывода, соответствующая блок-схеме модели Земной системы ИВМ РАН и включающая элементы технологии OpenMP; • Программное обеспечение для подготовки входных данных о параметрах рельефа, почвы, растительности, рек и водоёмов, городских поверхностей для модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ; • Процедуры оценки будущих выбросов и поглощения углекислого газа и метана управляемыми лесами и искусственно обводнёнными/осушенными территориями; • Новая версия модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ, включающей углеродный и азотный цикл в почве и растительности; получены предварительные оценки выбросов и поглощения углекислого газа и метана управляемыми лесами и искусственно обводнёнными/осушенными территориями в идеализированных постановках. Программное обеспечение для подготовки входных данных о параметрах деятельного слоя для моделей Земной системы создано в России впервые и позволит существенно уточнить в модели деятельного слоя суши ИВМ РАН-МГУ и МЗС ИВМ РАН географическое распределение составляющих углеродного баланса. Результаты сравнения рассчитанного распределения запасов углерода в растительности с данными ИКИ РАН это подтверждают. Кроме того, в модель деятельного слоя впервые включены в тестовом режиме блоки пожаров, углеродного баланса болот и термодинамики и биохимии водохранилищ. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".