OFFSTAGE: Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale

Ente: Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale - OGS

Borgo Grotta Gigante 42/C - 34010 - Sgonico ( TS ) – Italy

Tel. 04021401

Referente Aziendale per i tirocini:

Referente universitario per il tirocinio:

  • area informatica: prof. Cabri
  • area fisica: prof.ssa Anna Franchini

Sede di svolgimento del tirocinio: Via Beirut 4 – 34151 – Trieste (TS) -Italy

Undergraduate thesis proposals ( OGS gruppo ECHO )

Durante una lezione di oceanografia di qualche anno fa, forse vi sareste potuti chiedere: “…ma sappiamo veramente cosa accade nel mare?”. Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un rapido progresso nelle scienze oceanografiche, non solo con lo sviluppo di nuovi sistemi di osservazione ma anche grazie all’evoluzione tecnologica delle macchine di supercalcolo (o high performance computer – HPC).

Pensate solo che per stimare i danni di uno sversamento di petrolio bisogna tener conto di un grande numero di variabili e processi: il mescolamento di un liquido viscoso in un campo di moto geofisico e la diminuzione della luce che penetra in profondità possono scatenare una rivoluzione nell’intero ecosistema marino. Pensate poi alla complessità degli impatti sugli ecosistemi marini dovuti ai cambiamenti climatici e all’effetto di acidificazione conseguente all’attività antropica. Oppure all’impatto delle sostanze inquinanti portate dai fiumi sull’ambiente marino e sulle aree costiere dove le attività umane sono molto intense…a quanti di voi piacerebbe evitare le mucillaggini durante le vacanze al mare?

Le infrastrutture HPC rivestono un ruolo fondamentale nell’ambito delle scienze oceanografiche perché permettono di investigare i molteplici processi fisici e biologici alle scale spaziali e temporali appropriate. Ed è questo che noi ad OGS facciamo attraverso i programmi HPC-TRES e Copernicus: integriamo la scienza con la tecnologia per riuscire a migliorare la conoscenza dell’ambiente marino e dei suoi meccanismi di funzionamento, per rispondere a domande come:

  • Quali saranno le conseguenze dei cambiamenti climatici e dell’acidificazione sugli ecosistemi marini?
  • Quali sono gli impatti dell’inquinamento dei fiumi nella catena alimentare marina?
  • Come possiamo stimare l’effetto della presenza di una piattaforma petrolifera sull’ecosistema marino circostante?
  • Come si studiano gli effetti dell’aumento della temperatura del mare sulla crescita di una barriera corallina?
  • Quali tecniche modellistiche occorre sviluppare per prevedere un’invasione di alghe nel Mar Adriatico?
  • Come possiamo fornire maggiori informazioni sul monitoraggio ambientale di aree costiere fortemente influenzate dalle attività umane?
  • Quali sono gli strumenti informatici necessari per definire un’area marina protetta?

Le tesi proposte in ambito HPC applicato a problemi di modellistica oceanografica e biogeochimica contribuiranno a dare delle risposte a queste domande. Le proposte di tesi si inquadrano nell’attività del programma di formazione "HPC Training and Research for Earth Sciences" (HPC-TRES) coordinato da OGS (Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale) e CINECA, e si svolgeranno con il supporto di personale scientifico e tecnologico dell’OGS e del CINECA.

Le tematiche delle tesi si inseriscono nelle linee di ricerca del piano scientifico HPC-TRES, e in particolare mirano a contribuire al miglioramento delle performance predittive dei modelli numerici utilizzati nel quadro del servizio Europeo Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS), al quale OGS partecipa producendo le analisi passate e le previsioni della biogeochimica del Mar Mediterraneo.

Research Line A1 - Biogeochemical forecast skill assessment for Operational Oceanography

a) Ottimizzazione del codice biogeochimico BFMv5 "stand-alone".

Il Biogeochemical Flux Model (BFM; http://bfm-community.eu/) è un modello numerico, che descrive la dinamica dei principali processi biogeochimici che interessano l’ecosistema marino. Il modello considera i cicli di trasformazione di carbonio, azoto, fosforo, silicio ed ossigeno sia nella fase disciolta in acqua che nei principali organismi planctonici, descrivendone la fisiologia da un punto di vista meccanicistico. Da un punto di vista matematico il BFM e’ un sistema modulare di equazioni differenziali ordinarie che descrivono il rateo di variazione temporale di un elevato numero di traccianti biogeochimici. Il codice è stato scritto in FORTRAN90 ma mai ottimizzato. Il lavoro di tesi sarà focalizzato sul miglioramento delle performance del codice seriale. La prima parte del lavoro sarà lo studio e la profilazione del codice per l’individuazione di bottleneck o di parti che non sfruttano appieno l’architettura a disposizione. La seconda parte consisterà nello studio e nell’implementazione di strategie che consentano un consistente aumento delle performance del codice. Lo studente durante questo periodo apprenderà, oltre a varie tecniche di profiling e di ottimizzazione del codice, a gestire e a lavorare su un vero e proprio codice di produzione scientifica.

b) Miglioramento e ottimizzazione del modello di trasporto OGSTM.

La modellazione della variabilità spaziale e temporale di un elevato numero di traccianti chimici rilevanti per l’ecosistema marino richiede uno strumento numerico ottimizzato ed efficiente. In questa tesi si propone di lavorare su un modello di trasporto tridimensionale (OGSTM) già adattato all’architettura parallela (paradigma ibrido-MPI-OPENMP) al fine di includervi un nuovo processo fisico ed al fine di fare un profiling ed una successiva ottimizzazione del codice stesso. Il codice è scritto in Fortran-90.

Le tematiche da affrontare in questa tesi sono:

1. Problema Scientifico/Informatico: Inserire una formulazione di superficie libera (non lineare) nel modello di trasporto che consenta di simulare in maniera più precisa gli effetti di evaporazione e diluzione che interessano la superficie del mare e le specie chimiche in esso presenti;

2. Problema Informatico: Effettuare il debugging/profiling ed una eventuale ottimizzazione del codice di trasporto OGSTM aggiornato.

c) Aumento di risoluzione orizzontale del modello accoppiato OGSTM-BFM.

Una delle principali sfide dell’oceanografia operativa è la realizzazione di previsioni affidabili di osservabili fisiche e biogeochimiche per le aree costiere. Queste ultime sono le zone più interessanti per le attività umane (industria, trasporti, turismo, sport) e di conseguenza sono anche quelle dove tali attività rischiano di alterare irreversibilmente lo stato ambientale marino.

La sfida è aumentare la risoluzione spaziale orizzontale dei modelli di previsione per migliorare la rappresentazione dello stato biogeochimico delle aree costiere. Lo strumento utilizzato è il modello OGSTM-BFM (utilizzato nel sistema Europeo di monitoraggio e previsione CMEMS), che passerà da una risoluzione di 1/16 di grado (circa 5-6 km) a 1/24 di grado (circa 3-4 km). Questo passaggio apre diversi problemi, che potranno essere affrontati in 4 diverse tesi:

1. problema informatico: adattare il codice alla nuova risoluzione;

2. problema scientifico: l’impatto del cambio di risoluzione sui processi diffusivi orizzontali (dalla mesoscala alla sub-mesoscala) e lo studio della loro parametrizzazione;

3. problema scientifico: l’impatto del cambio di risoluzione sui processi diffusivi verticali (vertical mixing), determinanti per la dinamica biogeochimica, e lo studio della loro parametrizzazione;

4. problema scientifico: lo studio degli effetti del cambio di risoluzione sulla dinamica dei processi biogeochimici nelle aree di scambio tra zona costiera e zone di open-ocean.

Research Line A4 - Parallelization of hydrodynamic finite element models

a) Progettazione e implementazione di un memory model per aumentare la data localization in modelli agli elementi finiti utilizzati per applicazioni idrodinamiche, biogeochimiche ed ecologiche nelle lagune.

Le lagune sono fra i sistemi più interessanti che si possano studiare in oceanografia poiché fortemente antropizzate. L’esempio classico è la Laguna di Venezia, con le sue numerose problematiche ambientali. Proprio per affrontare lo studio dei suoi processi fisici, biogeochimici, ecologici e gli impatti socio-economici, negli anni 70 è stato scritto SHYFEM, un software agli elementi finiti specifico per le simulazioni in acque basse e tuttora utilizzato per le previsioni dell’"acqua alta" veneziana.

Nell’ultimo anno il software ha subito parecchie trasformazioni, e attualmente è disponibile una versione parallela OpenMP in Fortran 90. La fase successiva è l’ottimizzazione riguardante la gestione della memoria del software. Lo studente avrà il compito di creare un modello di memoria che consenta di ottimizzare gli accessi durante l’esecuzione in parallelo con l’approccio a memoria condivisa, e che permetta un facile accoppiamento con altri modelli.

[Ultimo aggiornamento: 04/11/2015 15:24:07]