Genskabe Jorden gennem kode

Den første jordsystemmodel udviklet og baseret i Afrika skaber en af ​​de mest pålidelige og mest detaljerede moduleringer af klimaændringer.

Hvad skal der til for at genskabe Jorden? Et par tusinde linjer kode, smid nogle data ind fra alle vejrstationer rundt om i verden, og en supercomputer.

Tilføj dertil en specialistudvikler af klimamodeller såsom professor Francois Engelbrecht fra Wits Global Change Institute, og du har den første Earth System Model udviklet og baseret i Afrika, som skal bidrage til World Climate Research Programmes Coupled Model Intercomparison Project Phase Six (CMIP6).

Engelbrecht, som kom til Wits i januar 2019 efter at have arbejdet i Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) i et årti, arbejder på at bygge en matematisk model af Jorden, inklusive alt det atmosfæriske, oceaniske, jord- og kulstofkredsløbsprocesser og deres interaktioner, for at kunne projektere virkningerne af fremtidige klimaændringer i Afrika og over hele kloden. Med henblik herpå, han arbejder i tæt samarbejde med videnskabsmænd fra Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) i Australien, CSIR i Sydafrika, University of Cape Town (UCT) og University of Venda.

"Kodning er en del af mit liv. Jeg koder hver dag, siger Engelbrecht, som er en af ​​kun en håndfuld klimamodeludviklere.

Sådan bygger du en jordsystemmodel

At bygge en jordsystemmodel er ikke nogen nem opgave. At gøre dette, Engelbrecht skal behandle data fra 50 lag af Jordens atmosfære, som er cirka 50 km dyb; havet fra dets overflade til bunden, opdelt i 30 lag og jorden, opdelt i seks lag for at simulere jordfugtighed og temperatur.

En jordsystemmodel giver en numerisk prøvetagning af alle de fysiske processer, der forekommer i det tredimensionelle koblede hav-atmosfære-land-system. Han skal også inkludere hav- og atmosfærisk kemi, herunder de effekter, som kulstofkredsløbet har på klimasystemet.

"Både havet og jorden er store dræn (absorbere) af kulstof. Der er også naturlige processer, der frigiver kuldioxid til atmosfæren. Vi skal se, hvordan disse processer fungerer og modellere, hvordan kulstofkredsløbet vil påvirke klimaet i fremtiden i tilstedeværelsen af ​​øgede kuldioxidemissioner, der stammer fra vores afhængighed af fossile brændstoffer til energi, siger Engelbrecht.

En jordsystemmodel er baseret på et sæt matematiske ligninger, der beskriver, hvordan Jorden ændrer sig over tid til ændret strålingskraft (f.eks. stigende koncentrationer af kuldioxid). Det er, når fysikkens love anvendes på atmosfæren, man opnår et sæt partielle differentialligninger. Disse ligninger kan løses numerisk for at få et billede af vores fremtidige klima.

"I det øjeblik du arbejder med disse typer data og numerisk matematik, du skal bruge en supercomputer til at behandle den, «siger Engelbrecht.

"Den matematiske model opdeler atmosfæren i en række lag, og Jorden i vandrette gitterpunkter. Jo større computeren er, jo flere gitterpunkter du kan tilføje, hvilket gør modellen mere præcis."

Adgang til kraften i supercomputere

Engelbrecht har først i de senere år fået adgang til en supercomputer med tilstrækkelig processorkraft til at udføre disse beregningsmæssigt dyre simuleringer og behandle de enorme data. Dette er Lengau-klyngen i Center for High-Performance Computing (CHPC) fra Institut for Videnskab og Teknologi med base i Rosebank, Cape Town. En enkelt klimasimulering kræver brug af hundreder til tusinder af processorer på klyngen, anvendes parallelt til at løse de indviklede ligninger i jordsystemet.

Selv på de hurtigste supercomputere i verden, den rumlige opløsning af jordsystemmodeller forbliver begrænset til omkring 100 km i vandret. I en nylig udvikling, Engelbrecht og hans kolleger bevæger sig også ind i en verden af ​​kunstig intelligens, at bruge specielt konstruerede algoritmer, der kan repræsentere de finere detaljer af systemet i rumlige skalaer, der ikke er direkte løst af Earth System Model.

"Traditionelt var repræsentationen af ​​finskalaprocesser i jordsystemmodeller baseret på konventionelle statistikker baseret på feltobservationer af, hvordan finskalaprocesserne relaterer sig til havets og atmosfærens storskalastrømningstræk. Maskinlæring giver mulighed for mere komplekse og dermed mere realistiske relationer, der skal formuleres mellem finskala og større skala flow-funktioner i klimasystemet, " fastslår Engelbrecht.

Engelbrecht, der lavede sin ph.d. i numerisk meteorologi ved University of Pretoria leder udviklingen af ​​den globale havmodel anvendt inden for Earth System Model. CSIRO leverer sofistikerede globale atmosfæriske og jordoverflademodeller til systemet, mens CSIR leverer og udvikler kulstofcyklusmodellen og atmosfærisk kemi, der anvendes inden for jordsystemmodellen.

For at beskrive en indledende tilstand af havet og atmosfæren til Jordsystemmodellen, Engelbrecht og hans kolleger bruger information fra vejrstationer over hele verden, som er kompileret og delt gennem World Meteorological Organisation.

Engelbrecht påpeger, at forståelsen af ​​klimaet og kulstofkredsløbet i det sydlige ocean og dynamikken i den antarktiske havis og iskapper er afgørende for en pålidelig fremskrivning af fremtidige klimaændringer.

"Det sydlige Ocean er en massiv kulstofdræn, og vi (Sydafrika, gennem Southern Ocean Carbon and Climate Observatory (SOCCO) under CSIR), har den bedste viden i verden om det sydlige Oceans kemi og fysik, hvilket gør vores jordsystemmodel utroligt relevant for resten af ​​verden, " siger Engelbrecht. "Vores model er bygget gennem linsen af ​​det sydlige ocean og afrikanske klimaprocesser." SOCCO fra CSIR og UCT's Marine Science Institute er derfor vigtige partnere i udviklingen af ​​Earth System Model.

"Et National Research Foundation Earth System Science Research Program (ESSRP) projekt giver et vigtigt indledende momentum til dette samarbejde, siger Engelbrecht.

At bygge en jordsystemmodel er en fuldstændig tværfaglig opgave, involverer eksperter fra en række forskellige områder, herunder klimatologer, oceanografer, økologer, matematikere, fysikere, kemikere og dataloger. Engelbrecht har til hensigt i stigende grad at tiltrække eksperter på alle disse områder til at arbejde sammen om at opbygge og forbedre den afrikansk-baserede jordsystemmodel.

"En af grundene til, at jeg kom til Wits, var for at afsløre Earth System Model-udviklingsprocessen for kolleger, som har førende ekspertise inden for oceanografi, klimatologi, numerisk matematik, højtydende databehandling og kunstig intelligens, så vi kan samarbejde og i fællesskab bidrage til dette virkelig tværfaglige felt. Vi har allerede samlet på GCI og Wits Schools of GAES and APES en stærk gruppe af post-graduate studerende, der vil have mulighed for at arbejde i dette spændende tværfaglige felt, mens de bidrog med deres nye tankegang til Earth System Model, " han siger.

"Vi skaber en af ​​de mest pålidelige og mest detaljerede moduleringer af klimaændringer for Afrika. Hvis vi pålideligt kan fremskrive vores sandsynlige klimaforandringer i Afrika, så kan vi vurdere risici for aspekter som vandsikkerhed, landbrug, biodiversitet, og menneskers sundhed, og tage rettidig handling gennem tilpasnings- og afbødningsprojekter til klimaændringer. "