Frente a la certeza de un clima cambiante junto con la incertidumbre que permanece en las predicciones de cómo cambiará, Los científicos e ingenieros de todo el país se están uniendo para construir un nuevo tipo de modelo climático que está diseñado para proporcionar predicciones más precisas y viables.

Aprovechando los avances recientes en las ciencias computacionales y de datos, El esfuerzo integral capitaliza en grandes cantidades de datos que ahora están disponibles y en capacidades de computación cada vez más poderosas tanto para procesar datos como para simular el sistema terrestre.

El nuevo modelo será construido por un consorcio de investigadores liderado por Caltech, en asociación con MIT; la Escuela de Posgrado Naval (NPS); y JPL, que Caltech administra para la NASA. El consorcio, apodada la Alianza de Modelado Climático (CliMA), planea fusionar las observaciones de la Tierra y las simulaciones de alta resolución en un modelo que representa características importantes a pequeña escala, como nubes y turbulencias, de forma más fiable que los modelos climáticos existentes. El objetivo es un modelo climático que proyecte cambios futuros en variables críticas como la cobertura de nubes, lluvia, y la extensión del hielo marino con mayor precisión, con incertidumbres al menos dos veces más pequeñas que los modelos existentes.

"Proyecciones con modelos climáticos actuales, por ejemplo, de cómo cambiarán características tales como las precipitaciones extremas, todavía tienen grandes incertidumbres, y las incertidumbres están mal cuantificadas, "dice Tapio Schneider, Profesor Theodore Y. Wu de Caltech de Ciencias e Ingeniería Ambiental, científico investigador senior en JPL, e investigador principal de CliMA. "Para las ciudades que planifican su infraestructura de gestión de aguas pluviales para resistir las inundaciones de los próximos 100 años, Este es un problema grave; Las respuestas concretas sobre la gama probable de resultados climáticos son clave para la planificación ".

El consorcio operará a un ritmo rápido, atmósfera de puesta en marcha, y espera tener el nuevo modelo en funcionamiento en los próximos cinco años, un cronograma agresivo para construir un modelo climático esencialmente desde cero.

"Un nuevo comienzo nos brinda la oportunidad de diseñar el modelo desde el principio para que se ejecute de manera efectiva en hardware informático moderno y en rápida evolución, y que los modelos atmosférico y oceánico sean primos cercanos entre sí, compartiendo los mismos algoritmos numéricos, "dice Frank Giraldo, profesor de matemáticas aplicadas en NPS.

El modelado climático actual se basa en dividir el mundo en una cuadrícula y luego calcular lo que está sucediendo en cada sector de la cuadrícula, así como cómo los sectores interactúan entre sí. La precisión de cualquier modelo dado depende en parte de la resolución a la que el modelo puede ver la Tierra, es decir, el tamaño de los sectores de la cuadrícula. Las limitaciones en el poder de procesamiento informático disponible significan que esos sectores generalmente no pueden ser más pequeños que decenas de kilómetros por lado. Pero para el modelado climático, el diablo está en los detalles, detalles que se pierden en una cuadrícula demasiado grande.

Por ejemplo, Las nubes bajas tienen un impacto significativo en el clima al reflejar la luz solar. pero las turbulentas plumas que las sostienen son tan pequeñas que caen por las grietas de los modelos existentes. Similar, Los cambios en el hielo marino del Ártico se han relacionado con efectos de amplio alcance en todo, desde el clima polar hasta la sequía en California, pero es difícil predecir cómo cambiará ese hielo en el futuro porque es sensible a la densidad de la capa de nubes por encima del hielo y a la temperatura de las corrientes oceánicas por debajo. ambos de los cuales no pueden resolverse con los modelos actuales.

Para capturar el impacto a gran escala de estas características a pequeña escala, el equipo desarrollará simulaciones de alta resolución que modelen las características en detalle en regiones seleccionadas del mundo. Esas simulaciones estarán anidadas dentro del modelo climático más grande. El efecto será un modelo capaz de "hacer zoom" en regiones seleccionadas, proporcionando información climática local detallada sobre esas áreas e informando el modelado de procesos a pequeña escala en cualquier otro lugar.

"El océano absorbe gran parte del calor y el carbono que se acumulan en el sistema climático. Sin embargo, la cantidad que consume depende de los remolinos turbulentos en la parte superior del océano, que son demasiado pequeños para ser resueltos en modelos climáticos, "dice Raffaele Ferrari, Cecil e Ida Green, profesora de Oceanografía en el MIT. "Fusionando simulaciones anidadas de alta resolución con nuevas mediciones disponibles de, por ejemplo, una flota de miles de flotadores autónomos podría permitir un salto en la precisión de las predicciones oceánicas ".

Si bien los modelos existentes a menudo se prueban contrastando las predicciones con las observaciones, El nuevo modelo llevará la verificación del terreno un paso más allá mediante el uso de herramientas de asimilación de datos y aprendizaje automático para "enseñar" al modelo a mejorarse a sí mismo en tiempo real. aprovechando tanto las observaciones de la Tierra como las simulaciones anidadas de alta resolución.

"El éxito de la predicción meteorológica computacional demuestra el poder de utilizar datos para mejorar la precisión de los modelos informáticos; nuestro objetivo es lograr los mismos éxitos en la predicción del clima, "dice Andrew Stuart, Profesor Bren de Caltech de Ciencias de la Computación y Matemáticas.

Cada una de las instituciones asociadas aporta al proyecto una fuerza y ​​una experiencia de investigación diferentes. En Caltech, Schneider y Stuart se centrarán en la creación de algoritmos de asimilación de datos y aprendizaje automático, así como modelos para nubes, turbulencia, y otras características atmosféricas. En el MIT, Ferrari y John Marshall, también profesor de Oceanografía Cecil e Ida Green, liderará un equipo que modelará el océano, incluyendo su circulación a gran escala y mezcla turbulenta. En NPS, Giraldo liderará el desarrollo del núcleo computacional del nuevo modelo de atmósfera en colaboración con Jeremy Kozdon y Lucas Wilcox. En JPL, un grupo de científicos colaborará con el equipo en el campus de Caltech para desarrollar modelos de proceso para la atmósfera, biosfera, y criosfera.