Enkel, effektiv jord-system modellering

For at vurdere langsigtede risici for fødevarer, vand, energi og andre kritiske naturressourcer, Beslutningstagere stoler ofte på jordsystemmodeller, der er i stand til at producere pålidelige fremskrivninger af regionale og globale miljøændringer, der spænder over årtier.

En nøglekomponent i sådanne modeller er repræsentationen af ​​atmosfærisk kemi. Atmosfæriske simuleringer ved hjælp af state-of-the-art komplekse kemiske mekanismer lover de mest nøjagtige simuleringer af atmosfærisk kemi. Desværre deres størrelse, kompleksitet, og beregningsmæssige krav har haft en tendens til at begrænse sådanne simuleringer til korte tidsperioder og et lille antal scenarier for at tage højde for usikkerhed.

Nu har et team af forskere ledet af MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change udtænkt en strategi for at inkorporere forenklede kemiske mekanismer i atmosfæriske simuleringer, der kan matche resultaterne produceret af mere komplekse mekanismer for de fleste regioner og tidsperioder. Hvis det implementeres i en tredimensionel jordsystemmodel, den nye modelleringsstrategi kunne gøre det muligt for forskere og beslutningstagere at udføre lave omkostninger, hurtige atmosfæriske kemi-simuleringer, der dækker lange tidsperioder under en lang række scenarier. Denne nye kapacitet kan både forbedre videnskabsmænds forståelse af atmosfærisk kemi og give beslutningstagere et kraftfuldt risikovurderingsværktøj.

I en ny undersøgelse, der vises i European Geosciences Union-tidsskriftet Geoscientific Model Development, forskerholdet gennemførte tre 25-årige simuleringer af troposfærisk ozonkemi ved hjælp af kemiske mekanismer af forskellige kompleksitetsniveauer inden for den udbredte CESM CAM-chem-modelleringsramme, og sammenlignede deres resultater med observationer. De undersøgte forhold, hvorunder disse forenklede mekanismer matchede output fra den mest komplekse mekanisme, samt hvornår de divergerede. Forskerne viste, at for de fleste regioner og tidsperioder, forskelle i simuleret ozonkemi mellem disse tre mekanismer er mindre end selve modelobservationsforskellene. De fandt lignende resultater for simuleringer af kulilte og dinitrogenoxid.

"Den mest forenklede mekanisme, som vi testede, kaldet superhurtig, løb tre gange så hurtigt som det mest komplekse (MOZART-4), mens det stort set producerede de samme resultater, " siger Benjamin Brown-Steiner, undersøgelsens hovedforfatter og en tidligere postdoc ved MIT Joint Program og Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS). "Dette effektivitetsniveau kunne for eksempel, gøre det muligt for videnskabsmænd at studere et aspekt af atmosfærisk kemi i løbet af det 21. århundrede, har kørt den forenklede model i 100 år, og verificere dens nøjagtighed ved at køre den komplekse model i begyndelsen, midten og slutningen af ​​århundredet."

Brown-Steiner og hans samarbejdspartnere undersøgte også, hvordan den samtidige udnyttelse af kemiske mekanismer af forskellige kompleksiteter kan fremme vores forståelse af atmosfærisk kemi på forskellige skalaer. De fastslog, at forskere kunne strømline atmosfæriske kemiske undersøgelser ved at udvikle simuleringer, der inkluderer både komplekse og forenklede kemiske mekanismer. I sådanne simuleringer, komplekse mekanismer ville give en mere fuldstændig repræsentation af kompleks atmosfærisk kemi, og simple mekanismer ville effektivt simulere længere tidsperioder for bedre at forstå rollerne af meteorologisk variabilitet og andre kilder til usikkerhed.

"Ved at bemærke, hvor resultater produceret af simple og komplekse mekanismer divergerer i bestemte regioner, årstider eller tidsperioder, du kan bestemme, hvor og hvornår simuleringer kræver mere kompleks kemi, og øge modelleringskompleksiteten efter behov, " siger Brown-Steiner.

Det er en modelleringsstrategi, der lover at forbedre både videnskabsmænds forståelse af jordens atmosfære og beslutningstageres evne til at vurdere miljøpolitikker, siger forskerne.

"Vores undersøgelse viser, at mere komplekse modeller ikke altid er mere nyttige til beslutningstagning, " siger Noelle Selin, en medforfatter til undersøgelsen, lektor ved MIT's Institute for Data, Systemer og samfund og EAPS, og Fælles Program fakultet tilknyttet. "Forskere er nødt til at tænke kritisk over, om enkle og effektive tilgange som denne kan være lige så informative til lavere omkostninger."

Endelig, undersøgelsen kunne føre til inklusion af forenklede atmosfæriske kemiske mekanismer i tredimensionelle jord-system modellering rammer. Denne evne vil hjælpe med at gøre det muligt for forskere og beslutningstagere at køre langsigtet, stort ensemble (der dækker flere scenarier for at repræsentere en række usikkerhed i nøglemodelleringsparametre) 3D-simuleringer af Jordens atmosfære inden for en rimelig tidsperiode.

"Vi repræsenterer i øjeblikket ozon, sulfat aerosoler, og andre nøglebidragydere til strålingspåvirkning i jordsystemet i todimensionelle modeller, der ikke giver det nøjagtighedsniveau, vi ønsker, " siger Ronald Prinn, EAPS professor og fælles program meddirektør, som er medforfatter til undersøgelsen.

"Til det formål vil vi gerne repræsentere disse i tredimensionelle modeller og køre ensembler [flere scenarier], men når vi først har indsat en fuld 3-D kemikaliepakke, computertid bliver uoverkommelig, "Prinn tilføjer. "Denne undersøgelse viser, at for beregninger af strålingskraft, at inkorporere en hurtig kemisk pakke i et modelleringssystem kan få troværdig overensstemmelse mellem simple og komplekse kemiske mekanismer og observationer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.