La Tierra admite una impresionante variedad de geografías, ecosistemas y entornos, cada uno de los cuales alberga una variedad igualmente impresionante de patrones y eventos climáticos. El clima es un agregado de todos estos eventos promediados durante un período de tiempo específico para una región en particular. Mirando el panorama general El clima de la Tierra acaba de terminar la década con una nota alta, aunque no del tipo que uno podría celebrar.

En Enero, Varias agencias científicas líderes de EE. UU. y Europa informaron de 2019 como el segundo año más caluroso registrado, cerrando la década más calurosa. Julio fue el mes más caluroso jamás registrado.

Utilizando nuevos modelos de alta resolución desarrollados a través de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los investigadores están tratando de predecir este tipo de tendencias para el futuro cercano y el próximo siglo; con la esperanza de proporcionar la base científica para ayudar a mitigar los efectos del clima extremo en la energía, infraestructura y agricultura, entre otros servicios esenciales necesarios para que la civilización siga avanzando.

Siete laboratorios nacionales DOE, incluido el Laboratorio Nacional de Argonne, se encuentran entre una colaboración más amplia que trabaja para avanzar en una versión de alta resolución del Modelo de Sistema de Tierra de Exascala Energética (E3SM). Las simulaciones que desarrollaron pueden capturar la dinámica más detallada del comportamiento generador de clima, desde el transporte de calor a través de los remolinos oceánicos (advección) hasta la formación de tormentas en la atmósfera.

"E3SM es un modelo de sistema terrestre diseñado para simular cómo las combinaciones de temperatura, vientos patrones de precipitación, Las corrientes oceánicas y el tipo de superficie terrestre pueden influir en el clima regional y la infraestructura construida a nivel local, escalas regionales y globales, "explica Robert Jacob, Líder de E3SM de Argonne y científico del clima en su división de Ciencias Ambientales. "Más importante, Ser capaz de predecir cómo los cambios en el clima y el ciclo del agua responden al aumento de dióxido de carbono (CO ₂ ) es extremadamente importante en la planificación de nuestro futuro ".

"El cambio climático también puede tener un gran impacto en nuestra necesidad y capacidad de producir energía, gestionar los suministros de agua y anticipar los impactos en la agricultura ", añade, "por lo que el DOE quiere un modelo de predicción que pueda describir los cambios climáticos con suficiente detalle para ayudar a los responsables de la toma de decisiones".

Las instalaciones a lo largo de nuestras costas son vulnerables al aumento del nivel del mar causado, en parte, por el rápido derretimiento de los glaciares, y muchos cortes de energía son el resultado del clima extremo y las condiciones precarias que puede crear. Por ejemplo, Las lluvias históricamente intensas de 2019 causaron inundaciones dañinas en los estados del centro y sur, y caliente, las condiciones secas en Alaska y California provocaron incendios forestales masivos.

Y luego está Australia.

Para comprender cómo todos los componentes de la Tierra funcionan en conjunto para crear estas condiciones salvajes y variadas, E3SM divide el mundo en miles de celdas de cuadrícula interdependientes:86, 400 para que la atmósfera sea exacta. Estos representan la mayoría de las características terrestres importantes desde "el fondo del océano hasta casi la parte superior de la atmósfera, ", escribieron los miembros de la colaboración en un artículo reciente publicado en el Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

"El globo terráqueo se modela como un grupo de celdas con 25 kilómetros entre los centros de la cuadrícula horizontalmente o un cuarto de grado de resolución de latitud, "dice Azamat Mametjanov, ingeniero de rendimiento de aplicaciones en la división de Matemáticas y Ciencias de la Computación de Argonne. "Históricamente, la resolución espacial ha sido mucho más tosca, en un grado o unos 100 kilómetros. Así que hemos aumentado la resolución en un factor de cuatro en cada dirección. Estamos empezando a resolver mejor los fenómenos que más preocupan a las industrias energéticas:el clima extremo ".

Los investigadores creen que las capacidades de mayor resolución de E3SM permitirán a los investigadores resolver características geofísicas como huracanes y mantos de nieve de montaña que resultan menos claros en otros modelos. Una de las mayores mejoras del modelo E3SM fue la temperatura de la superficie del mar y el hielo marino en el Océano Atlántico Norte. específicamente, el mar de labrador, lo que requería una contabilidad precisa del flujo de aire y agua.

"Esta es una región oceánica importante en la que los modelos de baja resolución tienden a representar demasiada cobertura de hielo marino, "Jacob explica." Este hielo marino adicional enfría la atmósfera por encima de él y degrada nuestras predicciones en esa área y también aguas abajo ".

El aumento de la resolución también ayudó a resolver las corrientes oceánicas con mayor precisión, lo que ayudó a que las condiciones del mar de Labrador se correspondieran con las observaciones de satélites y barcos, además de hacer mejores predicciones de la Corriente del Golfo.

Otra característica distintiva del modelo, dice Mametjanov, es su capacidad para funcionar durante varias décadas. Si bien muchos modelos pueden funcionar con una resolución aún mayor, sólo pueden durar de cinco a diez años como máximo. Debido a que utiliza las supercomputadoras ultrarrápidas DOE, el modelo E3SM de 25 km tuvo un recorrido de 50 años.

Finalmente, el equipo quiere correr 100 años seguidos, interesado principalmente en el clima alrededor de 2100, que es una fecha de finalización estándar utilizada para simulaciones del clima futuro.

Dejando a un lado la resolución más alta y las secuencias de tiempo más largas, ejecutar un modelo de este tipo no está exento de dificultades. Es un proceso muy complejo.

Para cada uno de los 86, 400 células relacionadas con la atmósfera, los investigadores ejecutan docenas de operaciones algebraicas que corresponden a algunos procesos meteorológicos, como calcular la velocidad del viento, presión atmosférica, temperatura, humedad o la cantidad de calor localizado contribuido por la luz solar y la condensación, por nombrar unos cuantos.

"Y luego tenemos que hacerlo miles de veces al día, "dice Jacob." Agregar más resolución hace que el cálculo sea más lento; hace que sea más difícil encontrar el tiempo de la computadora para ejecutarlo y verificar los resultados. La simulación de 50 años que analizamos en este documento tardó aproximadamente un año en ejecutarse en tiempo real ".

Otra dinámica por la que los investigadores deben ajustar su modelo se llama forzar, que se refiere principalmente a los impulsores naturales y antropogénicos que pueden estabilizar o empujar el clima en diferentes direcciones. La principal fuerza que ejerce el sistema climático es el sol, que se mantiene relativamente constante, señala Jacob. Pero a lo largo del siglo XX, ha habido incrementos en otros factores externos, como CO ₂ y una variedad de aerosoles, de rocío de mar a volcánico.

Para esta primera simulación, el equipo no estaba tanto investigando un período de tiempo específico como trabajando en la estabilidad del modelo, por lo que eligieron un forzamiento que representa las condiciones durante la década de 1950. La fecha fue un compromiso entre las condiciones preindustriales utilizadas en simulaciones de baja resolución y el inicio de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero y el calentamiento más dramáticos que llegarían a un punto crítico en este siglo.

Finalmente, el modelo integrará los valores actuales de forzamiento para ayudar a los científicos a comprender mejor cómo cambiará el sistema climático global a medida que aumenten esos valores, dice Jacob.

"Si bien tenemos algo de comprensión, Realmente necesitamos más información, al igual que el público y los productores de energía, para que podamos ver lo que sucederá a escala regional. ", agrega." Y para responder a eso, necesitas modelos que tengan más resolución ".

Uno de los objetivos generales del proyecto ha sido mejorar el rendimiento del E3SM en supercomputadoras del DOE como Theta de Argonne Leadership Computing Facility, que resultó ser el principal caballo de batalla del proyecto. Pero a medida que las arquitecturas de las computadoras cambian con miras a la computación a exaescala, Los próximos pasos del proyecto incluyen la portabilidad de los modelos a las GPU.

"A medida que aumenta la resolución con máquinas de exaescala, será posible utilizar E3SM para resolver sequías y tendencias de huracanes, que se desarrollan durante varios años, "dice Mametjanov.

"Los modelos meteorológicos pueden resolver algunos de estos pero como máximo durante unos 10 días. De modo que todavía existe una brecha entre los modelos meteorológicos y los modelos climáticos y, utilizando E3SM, estamos tratando de cerrar esa brecha ".

El artículo de la colaboración E3SM, "Versión 1 del modelo acoplado DOE E3SM:descripción y resultados en alta resolución, "apareció en la edición de diciembre de 2019 de Journal of Advances in Modeling Earth Systems.