De aarde ondersteunt een adembenemend scala aan geografische gebieden, ecosystemen en omgevingen, die elk een even indrukwekkend scala aan weerpatronen en gebeurtenissen herbergen. Het klimaat is een aggregaat van al deze gebeurtenissen, gemiddeld over een bepaalde tijdspanne voor een bepaalde regio. Kijkend naar het grote geheel, Het klimaat op aarde heeft het decennium net afgesloten met een hoogtepunt - hoewel niet het type dat men zou kunnen vieren.

In januari, verschillende toonaangevende Amerikaanse en Europese wetenschapsbureaus meldden dat 2019 het op één na warmste jaar ooit was, het afsluiten van het heetste decennium. Juli ging de geschiedenis in als de warmste maand ooit gemeten.

Met behulp van nieuwe modellen met hoge resolutie die zijn ontwikkeld door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers proberen dit soort trends voor de nabije toekomst en de volgende eeuw te voorspellen; in de hoop de wetenschappelijke basis te bieden om de effecten van extreem klimaat op energie te helpen verminderen, infrastructuur en landbouw, naast andere essentiële diensten die nodig zijn om de beschaving vooruit te helpen.

Zeven nationale DOE-laboratoria, waaronder Argonne National Laboratory, behoren tot een grotere samenwerking die werkt aan de ontwikkeling van een versie met hoge resolutie van het Energy Exascale Earth System Model (E3SM). De simulaties die ze hebben ontwikkeld, kunnen de meest gedetailleerde dynamiek van klimaatgenererend gedrag vastleggen, van het transport van warmte door oceaanwervelingen - advectie - tot de vorming van stormen in de atmosfeer.

"E3SM is een aardsysteemmodel dat is ontworpen om te simuleren hoe de combinaties van temperatuur, winden, neerslagpatronen, oceaanstromingen en het type landoppervlak kunnen het regionale klimaat en de gebouwde infrastructuur beïnvloeden op lokale, regionale en mondiale schaal, " legt Robert Jacob uit, Argonne's E3SM-leider en klimaatwetenschapper in de afdeling Milieuwetenschappen. "Belangrijker, kunnen voorspellen hoe veranderingen in klimaat en watercycli reageren op toenemende koolstofdioxide (CO .) ₂ ) is uiterst belangrijk bij het plannen van onze toekomst."

"Klimaatverandering kan ook grote gevolgen hebben voor onze behoefte aan en het vermogen om energie te produceren, de watervoorziening te beheren en te anticiperen op de gevolgen voor de landbouw", voegt hij eraan toe, "Dus DOE wil een voorspellingsmodel dat klimaatveranderingen met voldoende detail kan beschrijven om besluitvormers te helpen."

Voorzieningen langs onze kusten zijn kwetsbaar voor veroorzaakte zeespiegelstijging, gedeeltelijk, door snel smelten van gletsjers, en veel stroomstoringen zijn het gevolg van extreem weer en de precaire omstandigheden die het kan creëren. Bijvoorbeeld, De historisch zware regenval in 2019 veroorzaakte schadelijke overstromingen in de centrale en zuidelijke staten, en heet, droge omstandigheden in Alaska en Californië resulteerden in enorme bosbranden.

En dan is er Australië.

Om te begrijpen hoe alle componenten van de aarde samenwerken om deze wilde en gevarieerde omstandigheden te creëren, E3SM verdeelt de wereld in duizenden onderling afhankelijke rastercellen - 86, 400 voor de sfeer om precies te zijn. Deze zijn verantwoordelijk voor de meeste belangrijke aardse kenmerken van "de bodem van de oceaan tot bijna de top van de atmosfeer, " leden van de samenwerking schreven in een recent artikel gepubliceerd in de Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

"De aardbol is gemodelleerd als een groep cellen met 25 kilometer tussen rastercentra horizontaal of een kwart van een breedtegraadresolutie, " zegt Azamat Mametjanov, een applicatieprestatie-ingenieur in de wiskunde- en informatica-divisie van Argonne. "Historisch, ruimtelijke resolutie is veel grover geweest, op één graad of ongeveer 100 kilometer. Daarom hebben we de resolutie in elke richting met een factor vier verhoogd. We beginnen de fenomenen waar de energie-industrie zich het meest zorgen over maakt, beter op te lossen:extreem weer."

Onderzoekers zijn van mening dat de hogere resolutiemogelijkheden van E3SM onderzoekers in staat zullen stellen geofysische kenmerken zoals orkanen en bergsneeuwpakket op te lossen die in andere modellen minder duidelijk blijken te zijn. Een van de grootste verbeteringen aan het E3SM-model was de temperatuur van het zeeoppervlak en het zee-ijs in de Noord-Atlantische Oceaan, specifiek, de Labradorzee, die een nauwkeurige boekhouding van de lucht- en waterstroom vereiste.

"Dit is een belangrijk oceanisch gebied waarin modellen met een lagere resolutie de neiging hebben om te veel zee-ijsbedekking te vertegenwoordigen, Jacob legt uit. "Dit extra zee-ijs koelt de atmosfeer erboven af ​​en verslechtert onze voorspellingen in dat gebied en ook stroomafwaarts."

Het verhogen van de resolutie hielp ook om de oceaanstromingen nauwkeuriger op te lossen, waardoor de omstandigheden in de Labradorzee overeenkwamen met waarnemingen van satellieten en schepen, evenals het maken van betere voorspellingen van de Golfstroom.

Een ander onderscheidend kenmerk van het model, zegt Mametjanov, is zijn vermogen om over meerdere decennia te lopen. Hoewel veel modellen met een nog hogere resolutie kunnen werken, ze kunnen slechts vijf tot maximaal tien jaar lopen. Omdat het de ultrasnelle DOE-supercomputers gebruikt, het 25 km lange E3SM-model liep een traject van 50 jaar.

Eventueel, het team wil 100 jaar tegelijk rennen, vooral geïnteresseerd in het klimaat rond 2100, wat een standaard einddatum is die wordt gebruikt voor simulaties van toekomstig klimaat.

Hogere resolutie en langere tijdreeksen terzijde, het runnen van een dergelijk model is niet zonder moeilijkheden. Het is een zeer complex proces.

Voor elk van de 86 400 cellen gerelateerd aan de atmosfeer, onderzoekers voeren tientallen algebraïsche bewerkingen uit die overeenkomen met sommige meteorologische processen, zoals het berekenen van de windsnelheid, luchtdruk, temperatuur, vocht of de hoeveelheid plaatselijke verwarming die wordt veroorzaakt door zonlicht en condensatie, om er een paar op te noemen.

"En dan moeten we het duizenden keren per dag doen, ", zegt Jacob. "Het toevoegen van meer resolutie maakt de berekening langzamer; het maakt het moeilijker om de computertijd te vinden om het uit te voeren en de resultaten te controleren. De simulatie van 50 jaar die we in dit artikel hebben bekeken, duurde ongeveer een jaar in realtime om te draaien."

Een andere dynamiek waarvoor onderzoekers hun model moeten aanpassen, heet forcing, die voornamelijk verwijst naar de natuurlijke en antropogene drijfveren die het klimaat kunnen stabiliseren of in verschillende richtingen kunnen duwen. De belangrijkste drijfveer op het klimaatsysteem is de zon, die relatief constant blijft, merkt Jacob op. Maar in de loop van de 20e eeuw er is een toename van andere externe factoren, zoals CO ₂ en een verscheidenheid aan spuitbussen, van zeespray tot vulkanisch.

Voor deze eerste simulatie het team was niet zozeer bezig met een specifiek tijdsbestek, maar werkte aan de stabiliteit van het model, dus kozen ze een forcering die de omstandigheden in de jaren vijftig vertegenwoordigt. De datum was een compromis tussen pre-industriële omstandigheden die worden gebruikt in simulaties met lage resolutie en het begin van de meer dramatische antropogene uitstoot van broeikasgassen en opwarming die in deze eeuw tot een hoogtepunt zou komen.

Eventueel, het model zal de huidige dwingende waarden integreren om wetenschappers te helpen beter te begrijpen hoe het wereldwijde klimaatsysteem zal veranderen naarmate die waarden toenemen, zegt Jakob.

"Hoewel we enig begrip hebben, we hebben echt meer informatie nodig - net als het publiek en energieproducenten - zodat we kunnen zien wat er op regionale schaal gaat gebeuren, "voegt hij eraan toe. "En om dat te beantwoorden, je hebt modellen nodig die meer resolutie hebben."

Een van de algemene doelstellingen van het project was het verbeteren van de prestaties van de E3SM op DOE-supercomputers zoals Theta van de Argonne Leadership Computing Facility, die bleek het belangrijkste werkpaard voor het project. Maar naarmate computerarchitecturen veranderen met het oog op exascale computing, volgende stappen voor het project omvatten het overzetten van de modellen naar GPU's.

"Naarmate de resolutie toeneemt met exascale-machines, het wordt mogelijk om E3SM te gebruiken om droogtes en orkaantrends op te lossen, die zich over meerdere jaren ontwikkelen, ’ zegt Mametjanov.

"Weermodellen kunnen sommige van deze problemen oplossen, maar hooguit voor ongeveer 10 dagen. Er is dus nog steeds een kloof tussen weermodellen en klimaatmodellen en, met behulp van E3SM, we proberen die kloof te dichten."

Het artikel van de E3SM-samenwerking, "De DOE E3SM gekoppelde modelversie 1:beschrijving en resultaten met hoge resolutie, " verscheen in het decembernummer van Journal of Advances in Modeling Earth Systems.