Het National Center for Atmospheric Research (NCAR) heeft een bijgewerkte versie van zijn vlaggenschip-klimaatmodel uitgebracht met een groot aantal nieuwe mogelijkheden - van een veel realistischere weergave van de evoluerende ijskap van Groenland tot de mogelijkheid om in detail te modelleren hoe gewassen omgaan met de grotere aardsysteem aan de toevoeging van door de wind aangedreven golven op het oceaanoppervlak van het model.

Het Community Earth System Model versie 2 (CESM2) is een open-source computermodel voor de gemeenschap dat grotendeels wordt gefinancierd door de National Science Foundation, die de sponsor van NCAR is, en het Amerikaanse Department of Energy's Office of Science.

Vorige week openbaar gemaakt, CESM2 bouwt voort op een opeenvolging van klimaatmodellen, elke snijkant voor hun dag, die tientallen jaren teruggaat tot een tijd waarin hun software alleen de atmosferische circulatie simuleerde. Ter vergelijking, CESM2 omvat interacties tussen het land, oceaan, atmosfeer, landijs, en zee-ijs, die de vele belangrijke manieren vertegenwoordigt waarop de verschillende delen van het aardesysteem op elkaar inwerken.

"De reikwijdte van de wetenschappelijke vragen die we kunnen aanpakken, is zojuist aanzienlijk uitgebreid; dat vind ik erg spannend, " zei Jean-François Lamarque, die tot voor kort leiding gaf aan de inspanningen om CESM2 te ontwikkelen. "Elke keer dat we een nieuw model uitbrengen, bieden we een beter hulpmiddel om de wetenschap te doen. Het is een ingewikkelder hulpmiddel, maar de wereld is erg ingewikkeld."

De nieuwe mogelijkheden van CESM2 omvatten:

• Een atmosferische modelcomponent die aanzienlijke verbeteringen in de turbulentie- en convectierepresentaties bevat, die de weg vrijmaken voor een analyse van hoe deze kleinschalige processen het klimaat kunnen beïnvloeden.
• Verbeterd vermogen om vormen van tropische variabiliteit te simuleren die seizoenen kunnen overspannen en wereldwijde weerpatronen kunnen beïnvloeden, inclusief extreme neerslag in het westen van de Verenigde Staten. Deze meer realistische weergaven zullen onderzoekers in staat stellen die verbanden beter te begrijpen en kunnen leiden tot verbeterde seizoensvoorspellingen.
• Een onderdeel van een landijskapmodel voor Groenland dat de complexe manier waarop de ijskap beweegt kan simuleren - traag in het midden en veel sneller nabij de kust - en die het afkalven van het ijs in de oceaan beter kan simuleren.
• Een wereldwijd onderdeel van een gewasmodel dat zowel kan simuleren hoe akkerland het regionale klimaat beïnvloedt, inclusief de effecten van verhoogde irrigatie, en hoe het veranderende klimaat de productiviteit van gewassen zal beïnvloeden. Het onderdeel stelt wetenschappers ook in staat om de effecten te onderzoeken van een verhoogd gebruik van meststoffen en grotere concentraties koolstofdioxide in de atmosfeer, die de plantengroei kunnen stimuleren.
• Een golfmodelcomponent die simuleert hoe wind golven op de oceaan creëert, een belangrijk mechanisme voor het mengen van de bovenste oceaan, wat op zijn beurt van invloed is op hoe goed het model de oppervlaktetemperaturen van de zee weergeeft.
• Een geüpdatete component van een riviermodel die oppervlaktestromen over hellingen en in zijrivieren simuleert voordat ze het hoofdrivierkanaal binnengaan. Het simuleert ook de snelheid van water terwijl het door het kanaal beweegt, samen met de waterdiepte.
• Een nieuwe reeks infrastructuurhulpprogramma's die veel nieuwe mogelijkheden bieden voor eenvoudigere draagbaarheid, case generatie en gebruiker aanpassen, functionaliteit testen, en sterk verhoogde robuustheid en flexibiliteit.

Een volledige lijst met updates met meer technische beschrijvingen is te vinden op http://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/whatsnew.html.

Gemeenschapsgestuurd, continu verbeterd

Het werk aan CESM2 begon ongeveer vijf jaar geleden serieus, maar wetenschappers begonnen te sleutelen aan het verbeteren van het model zodra CESM1 in 2010 werd uitgebracht. Bij CESM2 is het niet anders.

"We zijn al begonnen na te denken over wat we kunnen verbeteren voor CESM3, " zei Lamarque. "We weten, bijvoorbeeld, dat we het oceaanmodel beter willen maken om het soort wetenschappelijke vragen uit te breiden waarmee het kan worden beantwoord."

Samenwerking en input van de bredere wetenschappelijke gemeenschap van het aardsysteem hebben altijd centraal gestaan ​​in de complexe modelontwikkeling die door NCAR wordt gefaciliteerd. Bijvoorbeeld, de landmodelcomponent van de nieuwe CESM2 maakte gebruik van de expertise van meer dan 50 onderzoekers van 16 verschillende instellingen.

CESM, die vrij verkrijgbaar is, is een belangrijk hulpmiddel voor onderzoekers op het gebied van aardsysteemwetenschap in de Verenigde Staten en de rest van de wereld die alles bestuderen, van de voorspelbaarheid van seizoensgebonden droogtes tot het versnellen van de zeespiegelstijging. Het op NCAR gebaseerde model is een van de ongeveer twaalf toonaangevende klimaatmodellen over de hele wereld die wetenschappers gebruiken om het veranderende klimaat te onderzoeken en bij te dragen wat ze vinden aan het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering.

Omdat het aardsysteem zo ingewikkeld is, en computerbronnen zijn zo beperkt, de computermodellen die worden gebruikt om te simuleren hoe het klimaat op aarde zich gedraagt, gebruiken een mix van vergelijkingen die de fysica vertegenwoordigen, biologie, en chemie achter de processen die zich in het aardse systeem ontvouwen - van verdamping tot ozonvorming tot ontbossing tot smelten van zee-ijs - en "parameterisaties, " die kleinschalige processen vereenvoudigen en de impact ervan inschatten.

"CESM2 vertegenwoordigt veel meer van de natuurkunde dan eerdere modellen, en we doen het veel beter, " zei CESM-hoofdwetenschapper Gokhan Danabasoglu, die nu de leiding heeft over de modelontwikkeling. "Er zijn tal van nieuwe mogelijkheden in alle componentmodellen, evenals aanzienlijke verbeteringen aan de infrastructuur voor flexibiliteit en gemakkelijker draagbaarheid."

Dankzij deze verbeterde vergelijkingen kan het model de echte wereld nog beter nabootsen.

"Het model is ons laboratorium - het enige laboratorium dat we krijgen als we het klimaat bestuderen, "Zei Lamarque. "Dus het moet dicht genoeg bij de echte wereld zijn om relevant te zijn."