Ci sono rivoluzioni che non fanno rumore. Nessuno stravolgimento visibile, solo un flusso più ricco di dati, un codice che si riscrive per essere più efficiente, una simulazione che gira più velocemente — invisibile, eppure decisiva. È la trasformazione in atto nel cuore dell’idrologia, dove la potenza del calcolo ad alte prestazioni (HPC) incontra i modelli idrologici in un’alleanza tecnologica che cambierà progressivamente il modo in cui conosciamo e modelliamo il ciclo dell’acqua. È qui che si colloca anche il progetto IT-WATER, con un obiettivo: delineare una rappresentazione coerente e ad alta risoluzione del ciclo dell’acqua sul territorio nazionale, per ieri, per oggi, e soprattutto per domani.
Nell’ambito del progetto finanziato dal Piano Nazionale Ripresa e Resilienza (PNRR) e guidato da Fondazione CIMA in collaborazione con Fadeout Software Srl e l’Agenzia ItaliaMeteo, si sta compiendo un passo avanti nell’ambito della modellazione idrologica: portare i modelli operativi, sviluppati da Fondazione CIMA per il Dipartimento della Protezione Civile italiana, su infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni (High Performance Computing – HPC), come quelle di CINECA. È una transizione metodologica e tecnologica che richiede un ripensamento profondo dell’architettura dei modelli, ma che consente di compiere un salto di scala fondamentale nella simulazione del ciclo dell’acqua.
Una questione di potenza computazionale
Nel linguaggio della scienza computazionale, si parla di High Performance Computing (HPC) per indicare l’insieme delle tecnologie che permettono di eseguire operazioni complesse e altamente intensive in tempi molto ridotti. Non si tratta solo di computer più veloci, ma di sistemi distribuiti1 in grado di gestire simultaneamente milioni di operazioni, provenienti da più utenti e su più processi paralleli.
In ambienti di questo tipo, i carichi di lavoro devono essere ottimizzati, schedulati, controllati. Ogni simulazione ha una priorità, un tempo assegnato, una coda d’esecuzione. Questo impone ai modelli scientifici una trasformazione profonda: non basta trasferire un codice su un nuovo sistema, occorre ripensare l’architettura, modularizzare le procedure, garantire stabilità e scalabilità.
È su questa sfida che si è concentrato il lavoro di Fondazione CIMA all’interno del progetto IT-WATER: preparare i propri modelli a dialogare con il supercalcolo, e farlo con efficienza tecnica e riusabilità futura.
Questa transizione è stata resa possibile anche grazie al ruolo dell’Agenzia ItaliaMeteo, partner strategico del progetto, che ha facilitato il dialogo tecnico e operativo con il consorzio CINECA e contribuito a garantire l’allineamento tra esigenze modellistiche, capacità computazionali e finalità operative del sistema. La collaborazione con ItaliaMeteo ha permesso di valorizzare l’approccio integrato di IT-WATER, favorendo un’interazione efficace tra modellazione scientifica, infrastrutture di calcolo e applicazioni di interesse nazionale.
Dentro il ciclo dell’acqua, su scala nazionale
Il ciclo dell’acqua è uno dei sistemi più complessi da rappresentare in modo scientifico. Pioggia, neve, evaporazione, infiltrazione, scorrimento superficiale, interazione con i suoli: ogni componente è influenzata da variabili climatiche, ambientali, morfologiche, in un sistema (la Terra) che non comprendiamo completamente e con cui interagiamo in modalità complesse e multi-scala. I modelli idrologici cercano da decenni di descrivere questo sistema, e Fondazione CIMA ha messo a punto due strumenti operativi in questo contesto: il modello criosferico S3M e quello idrologico Continuum, già operativi a scala nazionale.
«Fino a poco tempo fa, questi modelli venivano eseguiti su calcolatori tradizionali, anche molto potenti, ma con limiti intrinseci legati alla quantità di dati e al tempo di esecuzione», spiega Francesco Avanzi, dell’Ambito Idrologia e Idraulica di Fondazione CIMA. «Oggi invece possiamo parlare di simulazioni parallele, su scala nazionale, sfruttando l’infrastruttura di supercalcolo di CINECA. Questo ci consente di lavorare su orizzonti temporali lunghi, dal 1980 al 2070, e con una risoluzione spaziale fino a 200-500 metri. È un nuovo paradigma metodologico».
Un passo in avanti che si fonda su un lavoro di reingegnerizzazione2 complesso. L’intero impianto dei modelli e degli strumenti accessori, come il pacchetto Python shybox sviluppato nel contesto di IT-WATER, è stato ripensato per operare in ambienti distribuiti. «Per poter sfruttare davvero le potenzialità del supercalcolo, è stato necessario rivedere profondamente come i nostri modelli vengono eseguiti», spiega Fabio Delogu, anche lui ricercatore dell’Ambito Idrologia e Idraulica di Fondazione CIMA. «Abbiamo adottato un’architettura a contenitori3, che ha permesso non solo di far girare i modelli sui sistemi HPC, ma anche di migliorarne la modularità e la riusabilità».
«Non si tratta infatti solo di velocità: la modularità dei container ci permette di costruire modelli più riusabili, che possono essere eseguiti anche da altri gruppi di ricerca in modo autonomo semplicemente trasferendo “immagini” del sistema su CINECA. Questa apertura rappresenta un cambio di passo importante per la comunità scientifica. I modelli non sono più strumenti chiusi, vincolati a configurazioni locali, ma componenti integrabili, pronti per essere condivisi, adattati e utilizzati in contesti diversi», aggiunge Alberto Tasso, di Fadeout Software Srl.
Simulare il futuro: scenari climatici e gestione della risorsa
La simulazione del futuro parte dalla conoscenza del passato. Grazie al nuovo impianto HPC, il progetto IT-WATER permette di generare scenari climatici storici e futuri della risorsa idrica su tutto il territorio italiano. Parliamo di più di quarant’anni di storia, e altrettanti di proiezioni, per ogni bacino idrologico del Paese. Ma non si tratta solo di dati: l’obiettivo è produrre strumenti utili per la gestione operativa e strategica della risorsa, per mettere a disposizione delle istituzioni, delle autorità e dei cittadini strumenti scientifici per conoscere la disponibilità idrica sul territorio italiano.
«Stiamo lavorando per derivare indicatori di impatto idrologico legati alla siccità», racconta Avanzi. «È un aspetto cruciale per l’adattamento ai cambiamenti climatici. Avere modelli che riescono a restituire in modo realistico il comportamento dell’acqua, nelle sue diverse forme, consente di supportare le decisioni e la pianificazione».
Un’infrastruttura per il futuro
IT-WATER è anche un investimento sul futuro dell’idrologia operativa in Italia. La combinazione tra modellistica scientifica, supercalcolo e infrastrutture aperte costituisce una piattaforma pronta per essere estesa e mantenuta nel tempo. I risultati ottenuti oggi saranno la base per nuove applicazioni, nuove simulazioni, nuove domande di ricerca.
- Un sistema distribuito è un’architettura in cui il lavoro computazionale non viene svolto da un singolo computer, ma suddiviso tra molteplici unità di calcolo, spesso collocate su nodi diversi di una rete. Questi nodi collaborano per eseguire simultaneamente parti diverse di un processo complesso; in questo modo è possibile accelerare l’elaborazione e gestire grandi quantità di dati. ↩︎
- In ambito scientifico e tecnologico, per reingegnerizzazione si intende il processo di ripensamento e ristrutturazione profonda di un sistema esistente, con l’obiettivo di migliorarne le prestazioni, l’efficienza e l’adattabilità a nuovi contesti. Nel caso dei modelli idrologici di Fondazione CIMA, reingegnerizzare ha significato modificare la struttura del codice a supporto del modello, la gestione dei dati e le modalità di esecuzione per renderli compatibili con l’ambiente dei supercomputer. Non si tratta quindi solo di aggiornare un software, ma di adattarne architettura — algoritmi, procedure di input/output, gestione della memoria e parallelizzazione — affinché possa funzionare in modo stabile ed efficiente su infrastrutture complesse come quelle HPC. ↩︎
- L’architettura a contenitori è un approccio all’esecuzione del software che consente di impacchettare modelli, librerie e configurazioni all’interno di ambienti isolati e portabili, detti appunto “contenitori”. Questi ambienti garantiscono coerenza e riproducibilità dell’esecuzione su diverse infrastrutture, inclusi i sistemi di calcolo ad alte prestazioni, rendendo i modelli più modulari, scalabili e facilmente riutilizzabili in ambito scientifico. ↩︎