Supercomputerende indsats for at modellere de komplekse interaktioner, der påvirker klimaændringerne i de arktiske kystområder

Jordens hurtigt skiftende arktiske kystområder har en overdimensioneret klimaeffekt, der ekko rundt om i verden. Sporingsprocesser bag denne udvikling er en skræmmende opgave selv for de bedste forskere.

Kystlinjer er nogle af planetens mest dynamiske områder - steder hvor marine, jordisk, atmosfæriske og menneskelige handlinger mødes. Men de arktiske kystområder står over for de mest bekymrende problemer fra klimaændringer forårsaget af mennesker som følge af stigende drivhusgasemissioner, siger videnskabsmand i Los Alamos National Laboratory (LANL) Andrew Roberts.

"Arktiske kystsystemer er meget skrøbelige, "siger Roberts, der leder det højtydende computersystemelement i en bredere Department of Energy (DOE) Office of Science-indsats, ledet af sit kontor for biologisk og miljøforskning (BER), at simulere ændrede arktiske kystforhold. "Indtil de sidste mange årtier, tyk, flerårig arktisk havis synes generelt at have været stabil. Nu, opvarmningstemperaturer får det til at smelte. "

I 1980'erne, flerårig is på mindst fire år stod for mere end 30 procent af arktisk dækning; der er skrumpet til ikke meget mere end 1 procent i dag. Mens den flerårige pakis cirkulerer rundt i Arktis, en anden type kendt som landfast is-forankret til en kystlinje eller havbunden, fungerer som en flydende landforlængelse - er på vej tilbage mod kysten på grund af stigende temperaturer.

Dette udsætter kystområderne for skadelige bølger, der kan sprede is og erodere kystpermafrost, Siger Roberts.

Forskere har vist, at udbredelsen af ​​havis i Arktis i september falder med omkring 13 procent hvert årti, da Arktis varmer mere end dobbelt så hurtigt som resten af ​​planeten - hvad forskere kalder "Arktisk forstærkning".

Ændringer i arktisk havis og landis-smeltning kan forstyrre det såkaldte globale havtransportbånd, der cirkulerer vand rundt om planeten og hjælper med at stabilisere klimaet, Roberts rapporterer. Åen bevæger sig kold, tæt, saltvand fra polerne til de tropiske oceaner, som sender varmt vand til gengæld.

Arktis sidder nu fast i en lammende feedback -loop:Havis kan reflektere 80 procent eller mere af sollys i rummet, men dens ubarmhjertige tilbagegang forårsager større og større områder med mørke, åbent hav for at indtage sin plads om sommeren og absorbere mere end 90 procent af middagens sollys, fører til mere opvarmning.

Roberts og hans kolleger driller ud, hvordan reduktioner i arktisk is og stigninger i arktiske temperaturer påvirker oversvømmelser, marin biogeokemi, Forsendelse, udvinding af naturressourcer og tab af naturtyper. Teamet vurderer også virkningerne af klimaændringer på traditionelle samfund, hvor menneskeskabt opvarmning påvirker vejrmønstre og skader jagtområder og infrastruktur som bygninger og veje.

Arktisk permafrost - frossen jord - optøer hurtigt på grund af et opvarmet klima. Nogle forskere forudser, at cirka 2,5 millioner kvadratkilometer af denne jord - omkring 40 procent af verdens samlede - kunne forsvinde ved århundredets ende og frigive enorme mængder potent drivhusgasser, herunder metan, kuldioxid og vanddamp.

Det samlede forskningsprojekt, den BER-sponsorerede tværfaglige forskning for arktiske kystmiljøer (InteRFACE), ledet af Joel Rowland, også fra LANL, og er et multiinstitutionelt samarbejde, der omfatter andre nationale laboratorier og universiteter. Roberts har overvåget de beregningsmæssige aspekter af DOE -projektet, der har nydt godt af 650, 000 node-timer supercomputetid i 2020 på National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) på Lawrence Berkeley National Laboratory.

De arktiske kystberegninger brugte NERSC's Cori, et Cray XC40 -system med 700, 000 forarbejdningskerner, der kan udføre 30 tusind billioner flydepunktsoperationer pr. Sekund.

LANL -forskerne, med kolleger fra mange andre nationale laboratorier, har påberåbt sig og bidraget til udviklingen af ​​et sofistikeret DOE-understøttet forskningsværktøj kaldet Energy Exascale Earth System Model (E3SM), lade dem bruge supercomputersimulering og datahåndtering til bedre at forstå ændringer i arktiske kystsystemer. InteRFACE -aktiviteter bidrager til udviklingen af ​​E3SM og drager fordel af dens bredere udvikling.

E3SM skildrer atmosfæren, ocean, land og havis-herunder masse- og energiforandringerne mellem dem-i høj opløsning, tredimensionelle modeller, med fokus på Coris computerkraft på små områder af stor interesse. Forskerne har skabt netlignende masker af trekantede celler i E3SM's havis og havkomponenter for at gengive regionens kystlinjer med høj troskab.

"Et af de store spørgsmål er, hvornår smeltende havis vil gøre Arktiske Ocean farbare året rundt, "Siger Roberts. Selvom regerings- og handelsskibe - endda krydstogtskibe - har været i stand til at manøvrere gennem nordvestpassagen i den canadiske øhav i de seneste somre, i 2030 kunne regionen rutinemæssigt sejle i mange måneder af året, hvis smelten fra isen fortsætter hurtigt, han siger.

E3SM-udvikling vil hjælpe forskere med bedre at forstå, hvor meget nordvestpassagen er sejlbar i forhold til traditionelle rektangulære masker, der bruges i mange klimamodeller med lavere opløsning, Roberts noter.

E3SM har vejrskalaopløsning-det vil sige detaljeret nok til at fange fronter, storme, og orkaner - og bruger avancerede computere til at simulere aspekter af Jordens variation. Koden hjælper forskere med at forudse ændringer i dekadal skala, der kan påvirke den amerikanske energisektor i de kommende år.

"Hvis vi havde computerkraft, vi vil gerne have simuleringer i høj opløsning overalt i verden, "siger han." Men det er utroligt dyrt at foretage. "

Ethan Coon, en videnskabsmand fra Oak Ridge National Laboratory og en medforsker af et beslægtet projekt, understøttet af DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR) programmets Leadership Computing Challenge (ALCC), siger, at den nordlige landopvarmning "ændrer den arktiske hydrologiske cyklus, og vi ser betydelige ændringer i flod- og vandløb. "ALCC-programmet tildeler supercomputertid til DOE-projekter, der understreger højrisiko, højt udbetalingssimuleringer, og det udvidede forskningsmiljøet.

Coon, en alumnus fra DOE Computational Science Graduate Fellowship, siger, at opvarmning ændrer veje i floder og vandløb. Da optøende permafrost synker lavere under overfladen, grundvandsforløb dybere under jorden og forbliver koldere, når det strømmer i vandløb - hvilket potentielt kan påvirke fisk og andre dyreliv.

Hvad der sker på land har en stor havpåvirkning, Roberts er enig. Endelig, han siger, "vi har endelig mulighed for virkelig at forfine kystområder og simulere deres fysiske processer."