La Tierra admite una impresionante gama 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.En general, el clima de la Tierra acaba de terminar la década con una nota alta, aunque no es el tipo que uno podría celebrar.
En enero, varias agencias científicas líderes de EE. UU. Y Europa informaron que 2019 era el segundo año más caluroso registrado, cerrando la década más calurosa. Julio cayó como el mes más caluroso jamás registrado.
Usando nuevos modelos de alta resolución desarrollados a través de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE, los investigadores están tratando de predecir este tipo de tendencias para el futuro cercano y para el próximo siglo; con la esperanza de proporcionar la base científica para ayudar a mitigarlos efectos del clima extremo en la energía, la infraestructura y la agricultura, entre otros servicios esenciales necesarios para mantener la civilización en movimiento.
Siete laboratorios nacionales del DOE, incluido el Laboratorio Nacional Argonne, se encuentran entre una colaboración más amplia que trabaja para avanzar una versión de alta resolución del Modelo de Sistema de Tierra Exascale de Energía E3SM. Las simulaciones que desarrollaron pueden capturar la dinámica más detallada de la generación de climacomportamiento, desde el transporte de calor a través de remolinos oceánicos advección hasta la formación de tormentas en la atmósfera.
"E3SM es un modelo de sistema de la Tierra diseñado para simular cómo las combinaciones de temperatura, vientos, patrones de precipitación, corrientes oceánicas y tipo de superficie terrestre pueden influir en el clima regional y la infraestructura construida a escala local, regional y global", explica Robert Jacob, Argonne'sCientífico líder en clima y clima de E3SM en su división de Ciencias Ambientales. "Más importante aún, poder 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 grandes impactos en nuestra necesidad y capacidad de producir energía, administrar los suministros de agua y anticipar los impactos en la agricultura", agrega, "por lo que el DOE quiere un modelo de predicción que pueda describir los cambios climáticos con suficiente detalle para ayudar a la toma de decisiones"fabricantes "
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 muchas interrupciones de energía son el resultado del clima extremo y las condiciones precarias que puede crear. Por ejemplo, las lluvias históricamente fuertes de 2019 causaron inundaciones dañinasen los estados del centro y sur, y las condiciones cálidas y 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 cuadrículas interdependientes: 86.400 para que la atmósfera sea exacta. Estas explican la mayoría de las características terrestres principales de "desde el fondo del océano hasta casi la cima 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 está modelado como un grupo de celdas con 25 kilómetros entre centros de cuadrícula horizontalmente o un cuarto de grado de resolución de latitud", dice Azamat Mametjanov, ingeniero de rendimiento de aplicaciones en la división de Matemáticas e Informática de Argonne. "Históricamente, espacialla resolución ha sido mucho más gruesa, en un grado o alrededor de 100 kilómetros. Así que hemos aumentado la resolución en un factor de cuatro en cada dirección. Estamos comenzando a resolver mejor los fenómenos que más preocupan a las industrias energéticas: el clima extremo ".
Los investigadores creen que las capacidades de mayor resolución del 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 al modelo E3SM fue la temperatura de la superficie del mar y el hielo marino en el Atlántico NorteOcéano, específicamente, el mar de Labrador, 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", explica Jacob. "Este hielo marino adicional enfría la atmósfera por encima 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, así como a hacer mejores predicciones de la Corriente del Golfo.
Otra característica distintiva del modelo, dice Mametjanov, es su capacidad para ejecutarse durante varias décadas. Si bien muchos modelos pueden ejecutarse a una resolución aún mayor, solo pueden funcionar de cinco a 10 años como máximo. Debido a que utiliza el ultrarrápidoSupercomputadoras del DOE, el modelo E3SM de 25 km duró 50 años.
Eventualmente, el equipo quiere correr 100 años a la vez, interesado principalmente en el clima alrededor de 2100, que es una fecha de finalización estándar utilizada para simulaciones de clima futuro.
Dejando a un lado una resolución más alta y secuencias de tiempo más largas, ejecutar este modelo no está exento de dificultades. Es un proceso muy complejo.
Para cada una de las 86,400 celdas relacionadas con la atmósfera, los investigadores ejecutan docenas de operaciones algebraicas que corresponden a algunos procesos meteorológicos, como el cálculo de la velocidad del viento, la presión atmosférica, la temperatura, la humedad o la cantidad de calentamiento 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. Los 50 añosLa simulación que vimos en este documento tardó aproximadamente un año en tiempo real en ejecutarse ".
Otra dinámica para la cual 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 fuerza principal en el sistema climático es el sol, que permanece relativamenteconstante, señala Jacob. Pero a lo largo del siglo XX, ha habido aumentos en otros factores externos, como el CO 2 y una variedad de aerosoles, desde spray marino hasta volcánico.
Para esta primera simulación, el equipo no estaba investigando un período de tiempo específico, sino 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 bajasimulaciones de resolución y la aparición de las emisiones antropógenas de gases de efecto invernadero y el calentamiento más dramáticos que llegarían a un punto crítico en este siglo.
Eventualmente, el modelo integrará los valores de forzamiento actuales para ayudar a los científicos a comprender mejor cómo cambiará el sistema climático global a medida que esos valores aumenten, dice Jacob.
"Si bien entendemos algo, realmente necesitamos más información, al igual que el público y los productores de energía, para que podamos ver lo que sucederá a escalas regionales", agrega. "Y para responder eso, se necesitan modelosque tienen más resolución "
Uno de los objetivos generales del proyecto ha sido mejorar el rendimiento del E3SM en las supercomputadoras del DOE como Theta de Argonne Leadership Computing Facility, que demostró ser el caballo de batalla principal para el proyecto. Pero a medida que las arquitecturas informáticas cambian con la vista puesta en la computación exascale,Los siguientes pasos para el proyecto incluyen portar los modelos a las GPU.
"A medida que la resolución aumente usando máquinas exascale, será posible usar E3SM para resolver las sequías y las tendencias de huracanes, que se desarrollan a lo largo de varios años", dice Mametjanov.
"Los modelos meteorológicos pueden resolver algunos de estos, pero como máximo durante unos 10 días. Por lo tanto, todavía hay una brecha entre los modelos climáticos y los modelos climáticos y, utilizando E3SM, estamos tratando de cerrar esa brecha".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por John Spizzirri. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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