Nye 3D-modeller afslører, hvordan det opvarmende klima påvirker havvande under vandet

Få ting i naturen er så forudsigelige som havvande. Drevet af månens og solens tyngdekraft, er disse vedvarende fænomener med kort periode og store størrelser tydelige i næsten alle typer oceanografiske og satellitobservationer. De påvirker også direkte livsrytmen for millioner af mennesker og utallige økosystemer.

Men på det seneste har forskere bemærket subtile ændringer i tidevandsmålinger på overfladen, der ikke falder sammen med ændringer i månen og solens tyngdekraft. I stedet tyder indsamlede data og teori på, at en opvarmende havoverflade kan ligge bag observationerne.

For at undersøge disse fænomener har Dr. Michael Schindelegger ved universitetet i Bonn brugt supercomputing-ressourcer på Jülich Supercomputing Center (JSC) til bedre at forstå observationsdata indsamlet mellem 1993-2020, hvilket forbedrer nøjagtigheden af ​​tredimensionel (3D) havcirkulation modeller i processen.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Communications Earth &Environment .

"Tidevand maskerer ofte andre potentielt interessante og mindre forudsigelige signaler relateret til for eksempel havets generelle cirkulation eller effekter af klimaændringer," forklarer Schindelegger. "At trække klimasignaler fra oceanografiske observationer afhænger også af nøjagtigheden, hvormed vi kan modellere tidevand, herunder deres potentielle ændringer over tid."

Interne strømme tilføjer kompleksitet

Forskere anslår, at de øverste 700 meter af havet absorberer omkring 90 % af den overskydende varme, der er fanget i det opvarmende klimasystem. Når denne zone i havet varmes op, udvider den sig også og bliver mindre tæt, hvilket fører til en højere kontrast i vandtætheden sammenlignet med lavere niveauer i havet, der forbliver køligere og tættere.

Specifikt udforsker Schindelegger og hans kolleger det interaktive forhold mellem et opvarmende klima, havlagdeling som et mål for tæthedskontrasten og to typer tidevandsstrømme:barotropiske tidevand, som refererer til den periodiske bevægelse af havstrømme forbundet med gravitationskræfter; og barokliniske eller indre tidevand, som opstår, når barotropiske tidevand strømmer mod undervandstopografi, som en højderyg, hvilket får bølger af tættere vand fra dybet til at skubbe opad i mindre tæt overfladevand.

"Opvarmning i det øvre hav øger energioverførslen fra barotropisk til baroklinisk tidevand, således at tidevandet i det åbne hav nu mister et par procent mere tidevandsenergi til interne bølger, end de gjorde for tre årtier siden," forklarer Schindelegger. For at vurdere alvoren af ​​disse ændringer og forudsige deres indvirkning på kystområder er simuleringer blevet et væsentligt værktøj.

Observationsdata og modellering skal arbejde sammen

At observere og modellere havvande er ikke noget nyt, og friske data at arbejde med bliver tilgængelige hver time hver dag. Indsamlede data nær kysten kan dog blive ramt af "støj" og fejl, mens computermodeller altid er forenklede repræsentationer af processer i den virkelige verden. Det er derfor, ifølge Schindelegger, det er bydende nødvendigt at overveje både observationsdata og modeller, når man tester for tidevandsændringer.

At overveje tidevand i et mere realistisk, lagdelt hav – inklusive disse barokliniske tidevand – betyder desuden, at etablerede 2D-havmodeller skal udvides til at inkludere dybde som en tredje dimension og have en højere horisontal opløsning for at opnå brugbar nøjagtighed.

"Tidlige forsøg på modellering var begrænset til en et-lags havmodel med konstant tæthed, som jeg endda kunne køre på en enkelt CPU," siger Schindelegger. "Men da jeg begyndte at forske i årsagerne til ændringer i havvande, især virkningerne af lagdeling, blev 3D generelle cirkulationsmodeller essentielle."

Schindelegger siger, at han brugte omkring fem år på gradvist at tilføje kompleksitet til modellen, men det blev klart, at for at opnå den nødvendige opløsning til nøjagtige 3D-modeller, ville der være behov for mere computerkraft. Af denne grund henvendte Schindelegger og hans kolleger sig til JSC's supercomputer, JUWELS.

"Da beregningsgitteret også strækker sig ind i den vertikale retning, har vi omkring 300 millioner gitterpunkter til at diagnosticere de relevante variabler for tryk, temperatur og saltholdighed ud fra modellens ligninger," siger Schindelegger.

"Vi var nødt til at bruge en million kernetimer for at udføre projektet med succes. Distribution af opgaven til et stort antal beregningsknuder var nøglen til at opnå gennemførlige kørselstider og undgå hukommelsesproblemer. De tilgængelige ressourcer på JUWELS gav det nødvendige grundlag for denne form for applikationer ."

Forudsige fremtidig tidevand

Schindelegger siger, at selvom disse tidevandsændringer på overfladen indtil videre er subtile – et fald på cirka én centimeter over flere årtier ved kysten og endnu mindre i det dybe hav – er det stadig umagen værd at fortsætte med at forbedre 3D-modellen, indtil den kan forudsige med rimelig nøjagtighed, hvordan disse ændringer i havlagdelingen vil påvirke kystområder i fremtiden. Især for steder som Maine-bugten eller det nordlige Australien, hvor tidevandet er udtalt og støder på kompleks undervandstopografi, kan selv disse små ændringer have betydelige konsekvenser.

Med fortsat adgang til supercomputing-ressourcer vil Schindelegger og hans samarbejdspartnere udnytte et kraftfuldt værktøj til at supplere undersøgelse af observationsdata. Tilsammen vil disse to forskningsmetoder hjælpe forskere inden for geovidenskab til bedre at forstå, hvilken rolle et opvarmende hav spiller for tidevand og deres rolle i klimasystemet.

Flere oplysninger: Lana Opel et al., En sandsynlig rolle for stratificering i langsigtede ændringer af de globale havvande, Communications Earth &Environment (2024). DOI:10.1038/s43247-024-01432-5

Leveret af Gauss Center for Supercomputing