Het eerste Earth System Model dat in Afrika is ontwikkeld en is gebaseerd, creëert een van de meest betrouwbare en meest gedetailleerde modulaties van klimaatverandering.

Wat is er nodig om de aarde te herscheppen? Een paar duizenden regels code, gooi wat gegevens van alle weerstations over de hele wereld, en een supercomputer.

Voeg daarbij een gespecialiseerde klimaatmodelontwikkelaar zoals professor Francois Engelbrecht van het Wits Global Change Institute en je hebt het eerste Earth System Model ontwikkeld en gevestigd in Afrika. die moet bijdragen aan het Coupled Model Intercomparison Project Phase Six (CMIP6) van het World Climate Research Programme.

Engelbrecht, die in januari 2019 bij Wits kwam werken na tien jaar bij de Raad voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek (CSIR) te hebben gewerkt, werkt aan het bouwen van een wiskundig model van de aarde, inclusief alle sfeer, oceanisch, land- en koolstofcyclusprocessen en hun interacties, om de effecten van toekomstige klimaatverandering in Afrika en over de hele wereld te kunnen projecteren. Naar dit doel, hij werkt nauw samen met wetenschappers van de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) in Australië, het CSIR in Zuid-Afrika, de Universiteit van Kaapstad (UCT) en de Universiteit van Venda.

"Coderen maakt deel uit van mijn leven. Ik codeer elke dag, " zegt Engelbrecht, die een van de weinige ontwikkelaars van klimaatmodellen is.

Hoe een aardesysteemmodel te bouwen

Het bouwen van een aardesysteemmodel is geen eenvoudige taak. Om dit te doen, Engelbrecht moet gegevens verwerken van 50 lagen van de aardatmosfeer, die ongeveer 50 km diep is; de oceaan van het oppervlak tot de bodem, verdeeld in 30 lagen en het land, verdeeld in zes lagen om bodemvocht en temperatuur te simuleren.

Een Earth System Model biedt een numerieke steekproef van alle fysieke processen die plaatsvinden in het driedimensionale gekoppelde oceaan-atmosfeer-landsysteem. Hij moet ook oceaan- en atmosferische chemie opnemen, inclusief de effecten die de koolstofkringloop heeft op het klimaatsysteem.

"Zowel de oceaan als het land zijn grote putten (absorbeerders) van koolstof. Er zijn ook natuurlijke processen die koolstofdioxide in de atmosfeer afgeven. We moeten zien hoe deze processen werken en modelleren hoe de koolstofcyclus het klimaat in de toekomst zal beïnvloeden in de aanwezigheid van verhoogde uitstoot van kooldioxide als gevolg van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen voor energie, ’ zegt Engelbrecht.

Een aardesysteemmodel is gebaseerd op een reeks wiskundige vergelijkingen die beschrijven hoe de aarde in de loop van de tijd verandert in veranderende stralingsforcering (bijvoorbeeld toenemende concentraties kooldioxide). Dat is, wanneer de wetten van de fysica worden toegepast op de atmosfeer, men verkrijgt een reeks partiële differentiaalvergelijkingen. Deze vergelijkingen kunnen numeriek worden opgelost om een ​​beeld te krijgen van ons toekomstige klimaat.

"Op het moment dat je met dit soort data en numerieke wiskunde werkt, je hebt een supercomputer nodig om het te verwerken, ’ zegt Engelbrecht.

"Het wiskundige model verdeelt de atmosfeer in een aantal lagen, en de aarde in horizontale rasterpunten. Hoe groter de computer, hoe meer rasterpunten u kunt toevoegen, wat het model nauwkeuriger maakt."

Toegang tot de kracht van supercomputers

Engelbrecht kreeg pas de laatste jaren toegang tot een supercomputer met voldoende rekenkracht om deze rekenintensieve simulaties uit te voeren en de enorme hoeveelheid data te verwerken. Dit is het Lengau-cluster van het Centre of High-Performance Computing (CHPC) van het Department of Science and Technology, gevestigd in Rosebank, Kaapstad. Een enkele klimaatsimulatie vereist het gebruik van honderden tot duizenden processors op het cluster, parallel toegepast om de ingewikkelde vergelijkingen van het aardsysteem op te lossen.

Zelfs op de snelste supercomputers ter wereld, de ruimtelijke resolutie van aardsysteemmodellen blijft beperkt tot ongeveer 100 km horizontaal. In een recente ontwikkeling, Engelbrecht en zijn collega's begeven zich ook in de wereld van kunstmatige intelligentie, om speciaal ontworpen algoritmen te gebruiken die de fijnere details van het systeem kunnen weergeven op ruimtelijke schalen die niet direct worden opgelost door het Earth System Model.

"Traditioneel was de weergave van fijnschalige processen in Earth System Models gebaseerd op conventionele statistieken op basis van veldwaarnemingen van hoe de fijnschalige processen zich verhouden tot de grootschalige stromingskenmerken van de oceaan en de atmosfeer. Machine learning maakt complexere en dus meer realistische relaties te formuleren tussen fijn- en grootschalige stromingskenmerken in het klimaatsysteem, ’, stelt Engelbrecht.

Engelbrecht, die zijn Ph.D. in numerieke meteorologie aan de Universiteit van Pretoria leidt de ontwikkeling van het wereldwijde oceaanmodel dat wordt toegepast binnen het Earth System Model. De CSIRO levert aan het systeem geavanceerde globale atmosferische en landoppervlakmodellen, terwijl het CSIR het koolstofcyclusmodel en de atmosferische chemie levert en ontwikkelt die worden toegepast binnen het Earth System Model.

Om een ​​begintoestand van de oceaan en de atmosfeer te beschrijven aan het Earth System Model, Engelbrecht en zijn collega's gebruiken informatie van weerstations over de hele wereld, die is samengesteld en gedeeld via de Wereld Meteorologische Organisatie.

Engelbrecht wijst erop dat het begrijpen van de klimaat- en koolstofcyclus van de Zuidelijke Oceaan en de dynamiek van het Antarctische zee-ijs en de ijskappen van cruciaal belang is voor de betrouwbare projectie van toekomstige klimaatverandering.

"De Zuidelijke Oceaan is een enorme koolstofput, en wij (Zuid-Afrika, via de Southern Ocean Carbon and Climate Observatory (SOCCO) van het CSIR), de beste kennis ter wereld hebben over de scheikunde en natuurkunde van de Zuidelijke Oceaan, wat ons Earth System Model ongelooflijk relevant maakt voor de rest van de wereld, ", zegt Engelbrecht. "Ons model is gebouwd door de lens van Zuidelijke Oceaan en Afrikaanse klimaatprocessen." SOCCO van het CSIR en het Marine Science Institute van UCT zijn daarom belangrijke partners bij de ontwikkeling van het Earth System Model.

"Een project van de National Research Foundation Earth System Science Research Program (ESSRP) geeft een belangrijke eerste impuls aan deze samenwerking, ’ zegt Engelbrecht.

Het bouwen van een aardesysteemmodel is een volledig interdisciplinaire taak, waarbij deskundigen uit verschillende vakgebieden betrokken zijn, inclusief klimatologen, oceanografen, ecologen, wiskundigen, natuurkundigen, scheikundigen en computerwetenschappers. Engelbrecht is van plan om steeds meer experts op al deze gebieden aan te trekken om samen te werken aan het bouwen en verbeteren van het op Afrika gebaseerde Earth System Model.

"Een van de redenen waarom ik naar Wits kwam, was om het ontwikkelingsproces van het Earth System Model bloot te stellen aan collega's met toonaangevende expertise op het gebied van oceanografie, klimatologie, numerieke wiskunde, high-performance computing en kunstmatige intelligentie, zodat we kunnen samenwerken en gezamenlijk kunnen bijdragen aan dit werkelijk multidisciplinaire veld. We hebben al een sterke groep postdoctorale studenten verzameld op de GCI en de Wits-scholen van GAES en APES die de kans krijgen om in dit opwindende multidisciplinaire veld te werken, terwijl ze hun nieuwe denken bijdroegen aan het Earth System Model, " hij zegt.

"We creëren een van de meest betrouwbare en meest gedetailleerde modulaties van klimaatverandering voor Afrika. Als we onze waarschijnlijke toekomst van klimaatverandering in Afrika betrouwbaar kunnen voorspellen, dan kunnen we risico’s inschatten op aspecten als waterveiligheid, landbouw, biodiversiteit, en menselijke gezondheid, en tijdig actie ondernemen door middel van klimaatadaptatie- en mitigatieprojecten."