Digitaaliset kaksoset tarjoavat uusia työkaluja tutkimuksen ja päätöksenteon avuksi
Ilmastonmuutos ja luonnon monimuotoisuuden heikkeneminen ovat aikakautemme suurimpia globaaleja haasteita. Näiden vaikutukset koskettavat yhteiskunnan perusrakenteita, ruoantuotantoa, terveydenhuoltoa ja taloutta. Ilmastonmuutokseen liittyvän poliittisen päätöksentekoprosessin tulee pohjautua tutkimustietoon. Tähän soveltuvan tiedon tuottamista varten on kehitetty uudenlaisia laskennallisia työkaluja, digitaalisia kaksosia.
Digitaalinen kaksonen tarkoittaa laskennallisiin malleihin ja mittauksiin perustuvaa yksityiskohtaista ja vuorovaikutteista kuvausta tosielämän ilmiöstä tai prosessista. CSC kehittää useissa eri projekteissa digitaalisia kaksosia, joilla pyritään kuvaamaan esimerkiksi luonnon monimuotoisuuteen liittyviä muutoksia, ilmastonmuutosta ja sään ääri-ilmiöiden esiintyvyyttä. Kyseisten ilmiöiden kuvaaminen on laskennallisesti erittäin vaativaa, minkä takia digitaaliset kaksoset käyttävät Kajaanissa sijaitsevaa EuroHPC LUMI -supertietokonetta.
Tietoa tulevaisuuden ilmasto-oloista
Climate Change Adaptation Digital Twin (Climate DT) on Euroopan komission Destination Earth (DestinE) ohjelmaan liittyvä hanke, jossa rakennetaan maapallon ilmastojärjestelmää kuvaava digitaalinen kaksonen päätöksenteon tueksi. Hankkeessa käytetään korkean erotuskyvyn ilmastojärjestelmämalleja, joilla tuotetaan ennusteita tulevaisuuden ilmasto-olosuhteista.
Varsinaisten ilmastomallien lisäksi Climate DT käyttää ns. vaikutusarviointimalleja, jotka yhdessä ilmastomallien kanssa tuottavat tietoa ilmastonmuutoksen vaikutuksista esimerkiksi tulviin, uusiutuviin energianlähteisiin ja metsäpalojen esiintyvyyteen.
Hankkeessa tehtävien mallisimulaatioiden tuottaman tiedon tarvitsema tallennuskapasiteetti on suuruusluokaltaan useita satoja teratavuja ja mallit ovat laskennallisesti erittäin raskaita. Tämän takia EuroHPC laskentaresurssien ja DestinE-ohjelman puitteissa tarjottujen tallennuspalvelujen käyttäminen on hankkeen onnistumisen kannalta keskeinen edellytys. Climate DT:ssä tuotettu aineisto tulee saataville Destination Earth palvelualustan kautta.
Samaan aihepiiriin liittyen CSC toimii myös osana On-Demand Weather Extremes Digital Twin (Extermes DT) projektia, jossa parannetaan sään ääri-ilmiöiden ennustettavuutta.
Digital Twin of Earth System for Cryosphere, Land surface and Related Interactions (TerraDT) on CSC:n johtama EU-rahoitteinen projekti, jonka tarkoituksena on parantaa DestinE-ilmastomallien sisältämiä kuvauksia manner- ja merijäästä, maanpintaprosesseista ja ilmakehän pienhiukkasista. Tällä hetkellä näiden aiheiden kuvaus malleissa on joko laskennallisesti tai tieteellisesti puutteellista ja TerraDT:ssä tilannetta pyritään parantamaan.
Tavoitteena on lopulta viedä projektissa kehitettyjä uusia mallimenetelmiä myös osaksi Climate DT:n tuotantoympäristöä. Samoin kuin Climate DT:ssä, myös TerraDT:ssä kehitetään vaikutusarviointimalleja, joiden sovelluskohteena ovat mm. metsien käyttö, laivaliikenne ja kaupunkiolosuhteiden muutokset.
Nordic Cryosphere Digital Twin (NOCOS DT) kehittää merijäähän liittyviä malleja ja sovelluksia. Tämä CSC:n johtama hanke tuo yhteen tutkijoita Pohjoismaiden ilmatieteen laitoksista sekä Tallinnan teknillisestä yliopistosta, ja sitä rahoittaa Pohjoismaiden ministerineuvosto.
NOCOS DT hyödyntää Climate DT:n tuottamaa dataa kehittäessään vaikutusarviointimalleja. Näiden mallien avulla saadaan uutta tietoa, joka on hyödyllistä mm. laivaliikenteelle, kalastukselle ja merirakentamiselle. NOCOS DT:ssä kehitetyt työkalut auttavat parantamaan laivaliikenteen turvallisuutta ja tehokkuutta ilmaston lämpenemisen seurauksena muuttuvissa pohjoisissa meriolosuhteissa.
Tutkimusta luonnon monimuotoisuuden globaalista muutoksesta
Digitaalisia kaksosia on kehitetty kiihtyvään tahtiin erilaisiin sovelluksiin, mutta tilaa on myös uusille aluevaltauksille. Yksi tällainen ala on luonnon monimuotoisuuden tutkimus, johon keskitytään CSC:n johtamassa BioDT-hankkeessa.
BioDT yhdistää eri alojen osaamista ulottuen suurteholaskennasta ekologiaan, tavoitteenaan rakentaa luonnonmonimuotoisuuden muutoksia kuvaava digitaalinen kaksonen. Ensimmäiset tulokset lähes kolme vuotta sitten alkaneesta hankkeesta ovat jo valmiina.
Uudet prototyyppiasteen ohjelmistot keskittyvät erilaisiin sovellusalueisiin niittyalueiden ja metsien hoidosta eläin- ja kasvilajien monimuotoisuuteen ja niiden väliseen vuorovaikutukseen. Kuten muutkin esitellyt hankkeet myös BioDT hyödyntää EuroHPC LUMI tietokoneen laskentaresursseja ja tuo yhteen aineistoa useista eri lähteistä. Lisäksi CSC osallistuu myös DTO-BioFlow hankkeeseen, jossa käsitellään samankaltaista aihepiiriä, painottuen kuitenkin enemmän merien ekosysteemeihin.
Yllä esitellyt CSC:llä käynnissä olevat projektit kattavat laaja-alaisesti ilmastotutkimukseen liittyviä kysymyksiä. Vaikka jokaisessa on omat tekniset haasteensa ja datan muoto ja mallinnustekniikat vaihtelevat eri aihepiirien välillä, eri digitaaliset kaksoset täydentävät ja tukevat toisiaan. CSC:n lisäksi digitaalisia kaksosia kehittäviin hankkeisiin osallistuu tutkijoita useista suomalaisista tutkimuslaitoksista ja yliopistoista. Yhteinen tavoite hankkeille on tarjota uusia työkaluja tieteentekijöille sekä tukea tieteeseen perustuvaa päätöksentekoa.
Outi Sievi-Korte, Gabriela Zuquim, Juha Tonttila, Tero Aalto ja Jenni Kontkanen. Kirjoittajat kehittävät CSC:llä digitaalisia kaksosia.
Jenni Kontkanen
FT, dos. Jenni Kontkanen johtaa CSC:llä digitaalisiin kaksosiin keskittyvää ryhmää.