Métodos numéricos para a nova geração de modelos de previsão de tempo e clima

Resumo

A modelagem numérica da dinâmica da atmosférica, parte central de modelos de previsão do tempo e clima, tem experimentado uma mudança radical para se tornar adequada à nova geração de supercomputadores que exigem processamento massivamente paralelo. Este projeto visa estudar duas frentes de métodos numéricos para essa nova geração de modelos: (i) o desenvolvimento e análise de métodos numéricos para malhas quase uniformes na esfera, que evitam problemas de escalabilidade de modelos tradicionais; (ii) a exploração da dimensão temporal como fonte de paralelismo, com métodos que mudam radicalmente a forma de pensar a integração temporal desses modelos. Recentemente, mostramos que uma das principais metodologias adotadas em novos modelos que usam malhas quase uniformes carece de consistência (erro local de truncamento não converge para zero com aumento da resolução). Propusemos um método que corrige este problema e visamos neste projeto colocar o novo método no modelo atmosférico Model for Prediction Across Scales (MPAS) do National Center for Atmospheric Research (NCAR-USA), com o intuito de obter uma versão numericamente e dinamicamente consistente deste modelo. Em paralelo, estudaremos outros problemas relacionados com o uso de malhas esférica quase uniformes, como a análise de instabilidades numéricas presentes neste tipo de modelo e formas de otimizar malhas com refinamentos locais. O uso de malhas quase uniformes prolonga a vida útil dos modelos atmosféricos no que diz respeito a sua aplicabilidade em arquiteturas computacionais modernas, porém, no longo prazo, estes terão escalabilidade limitada por seu padrão de comunicação de partição de domínio. Visamos neste projeto explorar a dimensão temporal como nova fonte de paralelismo. Recentemente, desenvolvemos um método altamente paralelo de integração temporal por exponenciação, que pretendemos acoplar a um integrador semi-Lagrangiano, para a advecção não linear, e a um método iterativo de paralelismo temporal, para criar um método paralelo no tempo pioneiro adequado para modelos atmosféricos.Este projeto será realizado com colaboração de pesquisadores principalmente de universidades do Reino Unido (Univ. of Exeter e Imperial College), centros de pesquisa americanos (Los Alamos Nat. Lab. e NCAR) e da Universidade de São Paulo. (AU)