Terra e clima: il supercalcolo accelera la ricerca

Le risorse di supercalcolo danno un contributo fondamentale allo sviluppo di modelli climatici e del Sistema Terra. Intervista a Silvio Gualdi (CMCC).

di Matteo Massicci, responsabile comunicazione ICSC

Le scienze della Terra e del clima rappresentano un esempio emblematico di come l’accesso a infrastrutture di supercalcolo all’avanguardia sia sempre stato storicamente in grado di abilitare l’accelerazione dei processi di scoperta scientifica e di innovazione.

La nascita e sviluppo dei modelli per la descrizione e previsione delle dinamiche del sistema terrestre e climatico sono infatti inscindibilmente legati all’avvento e all’evoluzione delle infrastrutture di calcolo, che hanno trovato proprio nell’elaborazione dei modelli climatici una delle prime applicazioni. Non deve perciò stupire che tale ambito di ricerca sia tra quelli a cui il Centro Nazionale di Ricerca in High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing (ICSC) si rivolge, e a cui è dedicato lo Spoke 4 di ICSC, denominato ‘Earth and Climate’.

Scopo dello Spoke, che riunisce ricercatori ed esperti appartenenti sia al mondo della ricerca e dell’università che al settore privato, è quello di sfruttare al meglio l’infrastruttura distribuita di supercalcolo e Big Data che il Centro Nazionale intende mettere a disposizione della ricerca italiana con l’intento di migliorare la nostra comprensione del sistema Terra e di produrre informazioni utili per affrontare le sfide e i rischi derivanti dal cambiamento climatico, ma anche per sfruttare eventuali opportunità che a esso si accompagnano.

Abbiamo intervistato Silvio Gualdi, senior scientist del Centro euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici (CMCC) e leader dello Spoke 4.

Dottor Gualdi, che tipo di competenze e professionalità sono raccolte dallo Spoke 4? E quali sono i temi di ricerca e gli strumenti che lo contraddistinguono?

Le competenze coinvolte in ‘Earth and Climate’ fanno riferimento ai temi a cui lo Spoke 4 si rivolge, ovvero l’impiego delle risorse di supercalcolo per lo sviluppo e sfruttamento dei modelli del sistema Terra e dei modelli climatici. La comunità di modellistica del clima è infatti tra quelle storicamente contraddistinte da un ampio e intenso ricorso ai sistemi HPC, che hanno proprio nei modelli climatici uno dei campi di applicazione paradigmatici. Lo Spoke 4 raccoglie quindi sia software engineers, i quali possono garantire l’utilizzo dei sistemi di calcolo avanzato e la gestione e analisi delle enormi quantità di dati richiesti in questo ambito, che esperti di scienze della Terra e del clima con competenze specifiche in modellistica numerica.

Per riportare qualche dato a titolo di esempio, condurre le sole simulazioni con le quali contribuiamo al programma Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), che informa i rapporti dell’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), utilizziamo risorse per un totale di circa 108 corehours (centinaia di milioni di corehours) e produciamo dati le cui dimensioni sono dell'ordine delle molte decine di Petabyte.

Le attività che ricoprono un ruolo centrale nell’ambito del nostro Spoke sono, quindi, migliorare le capacità di gestire la fenomenale mole di dati relativa al sistema Terra e al sistema climatico oggi prodotta, attraverso infrastrutture digitali integrate in grado di ottimizzare i workflow della nostra comunità, lo sviluppo di innovative metodologie basate sull’Intelligenza Artificiale che ci permettano di estrarre conoscenza dai dati.

Quali sono i principali obiettivi dello Spoke 4?

I principali obiettivi che lo Spoke “Earth and Climate” di ICSC si pone sono da un lato porre le condizioni affinché la comunità italiana di scienze del clima possa sfruttare appieno l’infrastruttura di calcolo che ICSC mette a disposizione, accrescendo così, tra le altre cose, la propria competitività sulla scena internazionale; dall’altro produrre, attraverso il ricorso alle risorse HPC del Centro Nazionale e ai nuovi strumenti digitali che saranno introdotti, maggiori informazioni e simulazioni relative ai cambiamenti climatici, con particolare attenzione ai loro impatti fisici sulla penisola italiana e sui mari circostanti.

Dati e simulazioni che rappresenteranno un patrimonio condiviso, di cui potranno usufruire non solo le diverse comunità scientifiche come quelle impegnate nella previsione delle dinamiche ambientali, ma anche i partner aziendali, al fine di migliorare la capacità del sistema Paese di rispondere alle importanti sfide che riguardano tutta la società già a partire dai prossimi anni.

Oggi disponiamo di una quantità di dati relativi al sistema terrestre e climatico senza precedenti. Che genere di difficoltà pone lo sfruttamento di questa grande molte di informazioni?

Come anticipato, le scienze del clima e della Terra sono nate e hanno potuto svilupparsi grazie alla disponibilità delle infrastrutture di supercalcolo, necessarie per poter implementare modelli e per effettuare simulazioni. Risorse divenute oggi fondamentali anche per gestire la sempre più vasta quantità di dati provenienti dalle osservazioni del sistema Terra che nel corso degli ultimi anni abbiamo avuto la possibilità di raccogliere.

Nella prima parte del secolo passato abbiamo, infatti, assistito a una crescita sostanzialmente uniforme dei dati raccolti, che ha avuto inizio tra la fine dell’800 e l’inizio del ‘900, con le stazioni meteorologiche continentali e le prime campagne marine. Alla fine degli anni ‘70, l’avvento dei satelliti per l’osservazione della Terra ha accresciuto in maniera esponenziale le osservazioni disponibili che richiedono risorse di calcolo adeguate non solo per la loro corretta gestione e archiviazione, ma anche per consentire la loro analisi e l’estrazione di informazioni utili. Questa nuova stagione delle scienze del clima e della Terra, caratterizzata da un rapporto ancora più stretto con gli strumenti digitali, ha perciò consentito alla nostra comunità di partecipare allo sviluppo di tecniche di analisi dati e di Big Data molto avanzate e innovative, e, in tempi recenti, di metodologie basate sull’Intelligenza Artificiale, oggi ampiamente sfruttate per comprendere più a fondo il sistema Terra e per meglio prevedere come questo potrà evolvere in futuro.

Il cambiamento climatico rappresenta certamente una delle più grandi sfide per la nostra società. In che modo i modelli climatici e le infrastrutture di supercalcolo ci possono aiutare a fronteggiarla?

I modelli consentono di effettuare simulazioni dell’evoluzione climatica del nostro pianeta in risposta ai diversi scenari di emissione, a loro volta determinati da differenti percorsi di sviluppo socioeconomico. Queste proiezioni sono in grado di produrre informazioni che possono poi essere utilmente impiegate per definire strategie di adattamento agli impatti dei cambiamenti climatici. Grazie a questi modelli possiamo infatti fornire indicazioni sull’entità dei cambiamenti e di conseguenza sulle azioni più opportune da implementare affinché essi abbiano il minor impatto possibile sulle nostre vite.

Le simulazioni di quelli che potrebbero essere i possibili climi futuri ci consentono, inoltre, di capire quali potrebbero essere le politiche di mitigazione da adottare al fine di evitare che la pressione delle attività umane sul clima conduca verso scenari estremi, ai quali sarebbe molto difficile adattarsi.

Le indicazioni fornite dai modelli climatici sono perciò già attualmente utilizzate con successo in molti ambiti sia dai decisori politici, al fine di definire strategie nazionali di adattamento o di riduzione delle emissioni, che dai decisori del settore finanziario e del mondo produttivo, con l’obiettivo di rendere i piani aziendali e le attività da essi previste meno vulnerabili alle conseguenze dei cambiamenti climatici.

Quali altre realtà potrebbero trarre beneficio dalle attività dello Spoke 4? E in che modo?

Lo Spoke 4 si compone di alcuni partner aziendali membri di ICSC che co-partecipano attivamente al lavoro di ricerca e sviluppo, e in particolare ai progetti d’innovazione che il Centro Nazionale finanzia, lo scopo dei quali è proprio quello di trasformare i risultati delle attività scientifiche in servizi innovativi utili alle imprese, supportando casi studio e producendo prove di concetto rispetto alle soluzioni o alle metodologie testate.

Oltre ai benefici di cui abbiamo già parlato, lo Spoke sta cercando di sviluppare un altro strumento di coinvolgimento del mondo industriale dedicato al settore emergente dei servizi climatici. Si tratta di un settore che si sta affermando in questi ultimi anni e che è costituito per lo più da piccole imprese, molto spesso spin-off universitari, il cui principale obiettivo consiste nella rielaborazione dei risultati della ricerca in prodotti le cui caratteristiche e formati possano essere più efficacemente e proficuamente utilizzati da aziende operanti nei diversi settori economici e produttivi, quali, per fare qualche esempio, l’agricoltura, la produzione e la distribuzione di energia, oppure la gestione delle risorse idriche.

Le informazioni che i modelli climatici possono fornire, come le previsioni di temperatura, precipitazioni, venti e nuvolosità, una volta elaborate e tradotte in formati adeguati possono essere sfruttate, per esempio, dagli operatori del settore agricolo per quantificare la quantità di grano che ci si aspetta possa essere prodotta nei mesi successivi, oppure più lontano nel futuro, nei prossimi anni o decenni, in una determinata area, con tutti gli immaginabili vantaggi che questa anticipata informazione può determinare.

Lo Spoke 4 mira quindi a interagire con questa nuova tipologia di aziende in forte crescita per migliorare, attraverso la cooperazione con i nostri ricercatori, la loro capacità di trasmettere informazioni e dati utili dal mondo della ricerca a quello dell’impresa. Allo sviluppo di strumenti in grado di raggiungere un tale obiettivo saranno dedicati anche alcuni dei bandi a cascata finanziati da ICSC e rivolti a realtà esterne a ICSC.