Ny version af Jordmodellen fanger detaljeret klimadynamik

Jorden understøtter en betagende række geografier, økosystemer og miljøer, som hver især rummer et lige så imponerende udvalg af vejrmønstre og begivenheder. Klima er et samlet antal af alle disse begivenheder i gennemsnit over et bestemt tidsrum for en bestemt region. Ser man på det store billede, Jordens klima afsluttede netop årtiet med en høj note - omend ikke den type, man måske fejrer.

I januar, adskillige førende amerikanske og europæiske videnskabsagenturer rapporterede 2019 som det næstvarmeste år nogensinde, lukker det varmeste årti. Juli gik ned som den varmeste måned nogensinde registreret.

Ved hjælp af nye modeller i høj opløsning udviklet gennem US Department of Energy's (DOE) Office of Science, forskere forsøger at forudsige denne slags tendenser i den nærmeste fremtid og ind i det næste århundrede; håber på at give det videnskabelige grundlag for at bidrage til at afbøde virkningerne af ekstremt klima på energi, infrastruktur og landbrug, blandt andre vigtige tjenester, der er nødvendige for at holde civilisationen fremad.

Syv DOE nationale laboratorier, herunder Argonne National Laboratory, er blandt et større samarbejde, der arbejder på at fremme en version i høj opløsning af Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Simuleringerne, de udviklede, kan fange den mest detaljerede dynamik i klimagenererende adfærd, fra varmetransport gennem havets hvirvler - vejledning - til dannelse af storme i atmosfæren.

"E3SM er en jordsystemmodel designet til at simulere, hvordan kombinationerne af temperatur, vind, nedbørsmønstre, havstrømme og landoverfladetype kan påvirke regionsklima og bygget infrastruktur på lokalt, regionale og globale skalaer, "forklarer Robert Jacob, Argonnes E3SM -leder og klimaforsker i sin miljøvidenskabelige afdeling. "Vigtigere, at kunne forudsige, hvordan ændringer i klima og vandcyklus reagerer på stigende kuldioxid (CO ₂ ) er ekstremt vigtig i planlægningen af ​​vores fremtid. "

"Klimaændringer kan også have stor indflydelse på vores behov og evne til at producere energi, administrere vandforsyninger og forudse konsekvenser for landbruget, tilføjer han, "så DOE ønsker en forudsigelsesmodel, der kan beskrive klimaændringer med tilstrækkelige detaljer til at hjælpe beslutningstagere."

Anlæg langs vores kyster er sårbare over for havstigning, delvis, ved hurtige gletsjersmeltninger, og mange strømafbrydelser er resultatet af ekstremt vejr og de usikre forhold, det kan skabe. For eksempel, 2019 historisk kraftige nedbør forårsagede skadelige oversvømmelser i central- og sydstaterne, og varmt, tørre forhold i Alaska og Californien resulterede i massive vilde brande.

Og så er der Australien.

For at forstå, hvordan alle Jordens komponenter arbejder sammen for at skabe disse vilde og varierede forhold, E3SM opdeler verden i tusinder af indbyrdes afhængige gitterceller - 86, 400 for atmosfæren for at være præcis. Disse tegner sig for de fleste store terrestriske træk fra "bunden af ​​havet til næsten toppen af ​​atmosfæren, "samarbejdsmedlemmer skrev i en nylig artikel, der blev offentliggjort i Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

"Globen er modelleret som en gruppe af celler med 25 kilometer mellem netcentre vandret eller en kvart breddegradsopløsning, "siger Azamat Mametjanov, en applikationspræstationsingeniør i Argonnes afdeling for matematik og datalogi. "Historisk set rumlig opløsning har været meget grovere, på en grad eller omkring 100 kilometer. Så vi har øget opløsningen med en faktor fire i hver retning. Vi er begyndt bedre at løse de fænomener, som energiindustrien bekymrer sig mest om - ekstremt vejr. "

Forskere mener, at E3SM's kapacitet med højere opløsning vil give forskere mulighed for at løse geofysiske funktioner som orkaner og bjergsnesæk, der viser sig mindre klare i andre modeller. En af de største forbedringer af E3SM -modellen var havoverfladetemperatur og havis i det nordlige Atlanterhav, specifikt, Labradorhavet, hvilket krævede en nøjagtig regnskabsføring af luft- og vandgennemstrømning.

"Dette er en vigtig oceanisk region, hvor modeller med lavere opløsning har en tendens til at repræsentere for meget havisdækning, "Forklarer Jacob." Denne ekstra havis afkøler atmosfæren over den og nedbryder vores forudsigelser i dette område og også nedstrøms. "

Forøgelse af opløsningen hjalp også med at løse havstrømmene mere præcist, som hjalp med at få Labradorhavets forhold til at svare til observationer fra satellitter og skibe, samt at forudsige bedre om Golfstrømmen.

Et andet kendetegn ved modellen, siger Mametjanov, er dens evne til at løbe over flere årtier. Selvom mange modeller kan køre med endnu højere opløsning, de kan højst køre fra fem til 10 år. Fordi den bruger de ultrahurtige DOE-supercomputere, 25 km E3SM-modellen kørte et forløb på 50 år.

Til sidst, holdet ønsker at løbe 100 år ad gangen, interesseret hovedsageligt i klimaet omkring 2100, som er en standard slutdato, der bruges til simuleringer af fremtidigt klima.

Højere opløsning og længere tidssekvenser til side, at køre en sådan model er ikke uden sine vanskeligheder. Det er en meget kompleks proces.

For hver af de 86, 400 celler relateret til atmosfæren, forskere kører snesevis af algebraiske operationer, der svarer til nogle meteorologiske processer, såsom beregning af vindhastighed, atmosfærisk tryk, temperatur, fugt eller mængden af ​​lokal opvarmning bidraget fra sollys og kondens, for blot at nævne nogle få.

"Og så skal vi gøre det tusinder af gange om dagen, "siger Jacob." Tilføjelse af mere opløsning gør beregningen langsommere; det gør det sværere at finde computerens tid til at køre det og kontrollere resultaterne. Den 50-årige simulering, som vi kiggede på i dette papir, tog omkring et år i realtid at køre. "

En anden dynamik, som forskere skal justere deres model til, kaldes forcing, som hovedsageligt refererer til de naturlige og menneskeskabte drivere, der enten kan stabilisere eller skubbe klimaet i forskellige retninger. Den vigtigste tvinge på klimasystemet er solen, der forbliver relativt konstant, konstaterer Jacob. Men gennem det 20. århundrede, der har været stigninger i andre eksterne faktorer, såsom CO ₂ og en række aerosoler, fra havsprøjt til vulkansk.

Til denne første simulering, holdet undersøgte ikke så meget en bestemt tidsperiode som at arbejde på modellens stabilitet, så de valgte en tvang, der repræsenterer forhold i løbet af 1950'erne. Datoen var et kompromis mellem præindustrielle forhold, der blev anvendt i simuleringer med lav opløsning, og begyndelsen på de mere dramatiske menneskeskabte drivhusgasemissioner og opvarmning, der ville komme til livs i dette århundrede.

Til sidst, modellen vil integrere aktuelle tvingende værdier for at hjælpe forskere med yderligere at forstå, hvordan det globale klimasystem vil ændre sig, når disse værdier stiger, siger Jacob.

"Selvom vi har en vis forståelse, vi har virkelig brug for flere oplysninger - ligesom offentligheden og energiproducenterne - så vi kan se, hvad der vil ske på regionale skalaer, "tilføjer han." Og for at svare på det, du har brug for modeller, der har mere opløsning. "

Et af projektets overordnede mål har været at forbedre E3SM's ydeevne på DOE -supercomputere som Argonne Leadership Computing Facility's Theta, hvilket beviste den primære arbejdshest for projektet. Men efterhånden som computerarkitekturer ændrer sig med øje mod exascale computing, næste trin for projektet omfatter portning af modellerne til GPU'er.

"Når opløsningen stiger ved hjælp af exascale -maskiner, det bliver muligt at bruge E3SM til at løse tørke og orkan tendenser, som udvikler sig over flere år, ”siger Mametjanov.

"Vejrmodeller kan løse nogle af disse, men højst i cirka 10 dage. Så der er stadig et hul mellem vejrmodeller og klimamodeller og, ved hjælp af E3SM, vi forsøger at lukke det hul. "

E3SM -samarbejdets artikel, "DOE E3SM -koblet modelversion 1:Beskrivelse og resultater ved høj opløsning, "dukkede op i december 2019 -udgaven af ​​Journal of Advances in Modeling Earth Systems.