p A Terra oferece suporte a uma variedade impressionante de geografias, ecossistemas e ambientes, cada um dos quais abriga uma variedade igualmente impressionante de padrões e eventos climáticos. O clima é um agregado de todos esses eventos calculados em um período específico de tempo para uma determinada região. Olhando para o quadro geral, O clima da Terra acabou de encerrar a década com uma nota alta - embora não seja o tipo que se possa comemorar. p Em janeiro, várias agências científicas dos EUA e da Europa relataram 2019 como o segundo ano mais quente já registrado, fechando a década mais quente. Julho foi o mês mais quente já registrado.

p Usando novos modelos de alta resolução desenvolvidos pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os pesquisadores estão tentando prever esses tipos de tendências para o futuro próximo e no próximo século; na esperança de fornecer a base científica para ajudar a mitigar os efeitos do clima extremo na energia, infraestrutura e agricultura, entre outros serviços essenciais necessários para manter o avanço da civilização.

p Sete laboratórios nacionais do DOE, incluindo o Argonne National Laboratory, estão entre uma colaboração maior que trabalha para desenvolver uma versão de alta resolução do Energy Exascale Earth System Model (E3SM). As simulações que desenvolveram podem capturar a dinâmica mais detalhada do comportamento gerador do clima, desde o transporte de calor por redemoinhos oceânicos - advecção - até a formação de tempestades na atmosfera.

p "E3SM é um modelo de sistema terrestre desenvolvido para simular como as combinações de temperatura, ventos, padrões de precipitação, as correntes oceânicas e o tipo de superfície da terra podem influenciar o clima regional e a infraestrutura construída no local, escalas regionais e globais, "explica Robert Jacob, Chefe do E3SM da Argonne e cientista do clima em sua divisão de Ciências Ambientais. "Mais importante, ser capaz de prever como as mudanças no clima e no ciclo da água respondem ao aumento do dióxido de carbono (CO ₂ ) é extremamente importante no planejamento do nosso futuro. "

p "As mudanças climáticas também podem ter grandes impactos sobre nossa necessidade e capacidade de produzir energia, gerir o abastecimento de água e antecipar os impactos na agricultura ", acrescenta, "então o DOE quer um modelo de previsão que possa descrever as mudanças climáticas com detalhes suficientes para ajudar os tomadores de decisão."

p As instalações ao longo de nossas costas são vulneráveis ​​ao aumento do nível do mar causado, em parte, pelo rápido derretimento da geleira, e muitas falhas de energia são o resultado de condições meteorológicas extremas e das condições precárias que podem criar. Por exemplo, As chuvas historicamente fortes de 2019 causaram inundações prejudiciais nos estados do centro e do sul, e quente, as condições secas no Alasca e na Califórnia resultaram em grandes incêndios florestais.

p E então há a Austrália.

p Para entender como todos os componentes da Terra funcionam em conjunto para criar essas condições selvagens e variadas, E3SM divide o mundo em milhares de células de grade interdependentes — 86, 400 para que a atmosfera seja exata. Estes são responsáveis ​​pela maioria das principais características terrestres desde "o fundo do oceano até quase o topo da atmosfera, "membros da colaboração escreveram em um artigo recente publicado no Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

p "O globo é modelado como um grupo de células com 25 quilômetros entre os centros da grade horizontalmente ou um quarto de grau de resolução de latitude, "diz Azamat Mametjanov, um engenheiro de desempenho de aplicativos na divisão de Matemática e Ciência da Computação da Argonne. "Historicamente, a resolução espacial tem sido muito mais grosseira, em um grau ou cerca de 100 quilômetros. Portanto, aumentamos a resolução por um fator de quatro em cada direção. Estamos começando a resolver melhor os fenômenos com os quais as indústrias de energia mais se preocupam - condições climáticas extremas. "

p Os pesquisadores acreditam que os recursos de alta resolução do E3SM permitirão aos pesquisadores resolver características geofísicas como furacões e neve acumulada em montanhas que se mostram menos claras em outros modelos. Uma das maiores melhorias no modelo E3SM foi a temperatura da superfície do mar e o gelo do mar no Oceano Atlântico Norte, especificamente, o mar de Labrador, que exigia uma contabilidade precisa do fluxo de ar e água.

p "Esta é uma importante região oceânica em que modelos de baixa resolução tendem a representar muita cobertura de gelo marinho, "Jacob explica." Este gelo marinho adicional esfria a atmosfera acima dele e degrada nossas previsões naquela área e também rio abaixo. "

p O aumento da resolução também ajudou a resolver as correntes oceânicas com mais precisão, que ajudou a fazer as condições do Mar de Labrador corresponderem às observações de satélites e navios, bem como fazer melhores previsões da Corrente do Golfo.

p Outra característica distintiva do modelo, diz Mametjanov, é sua capacidade de funcionar por várias décadas. Embora muitos modelos possam ser executados em resoluções ainda mais altas, eles podem funcionar apenas de cinco a 10 anos, no máximo. Porque usa supercomputadores DOE ultrarrápidos, o modelo E3SM de 25 km rodou um percurso de 50 anos.

p Eventualmente, a equipe quer correr 100 anos de cada vez, interessado principalmente no clima por volta de 2100, que é uma data de término padrão usada para simulações do clima futuro.

p Resolução mais alta e sequências de tempo mais longas à parte, executar tal modelo tem suas dificuldades. É um processo altamente complexo.

p Para cada um dos 86, 400 células relacionadas com a atmosfera, pesquisadores executam dezenas de operações algébricas que correspondem a alguns processos meteorológicos, como calcular a velocidade do vento, pressão atmosférica, temperatura, umidade ou a quantidade de aquecimento localizado contribuído pela luz solar e condensação, para citar apenas alguns.

p "E então temos que fazer isso milhares de vezes por dia, "diz Jacob." Adicionar mais resolução torna o cálculo mais lento; torna mais difícil encontrar tempo para o computador executá-lo e verificar os resultados. A simulação de 50 anos que examinamos neste artigo levou cerca de um ano em tempo real para ser executada. "

p Outra dinâmica para a qual os pesquisadores devem ajustar seu modelo é chamada de forçar, que se refere principalmente aos fatores naturais e antropogênicos que podem estabilizar ou empurrar o clima em diferentes direções. A principal força do sistema climático é o sol, que permanece relativamente constante, notas Jacob. Mas ao longo do século 20, houve aumentos em outros fatores externos, como CO ₂ e uma variedade de aerossóis, de spray marinho a vulcânico.

p Para esta primeira simulação, a equipe não estava apenas investigando um período específico de tempo, mas trabalhando na estabilidade do modelo, então eles escolheram um forçamento que representa as condições durante os anos 1950. A data era um compromisso entre as condições pré-industriais usadas em simulações de baixa resolução e o início das emissões antropogênicas de gases de efeito estufa mais dramáticas e do aquecimento que chegaria ao auge neste século.

p Eventualmente, o modelo integrará os valores de força atuais para ajudar os cientistas a entender melhor como o sistema climático global mudará à medida que esses valores aumentam, disse Jacob.

p "Embora tenhamos algum entendimento, realmente precisamos de mais informações - assim como o público e os produtores de energia - para que possamos ver o que vai acontecer em escalas regionais, "acrescenta." E para responder a isso, você precisa de modelos com mais resolução. "

p Um dos objetivos gerais do projeto foi melhorar o desempenho do E3SM em supercomputadores DOE, como o Theta do Argonne Leadership Computing Facility, que provou ser o carro-chefe do projeto. Mas, à medida que as arquiteturas de computador mudam com um olho na computação exascale, as próximas etapas do projeto incluem portar os modelos para GPUs.

p "À medida que a resolução aumenta com o uso de máquinas exascale, será possível usar o E3SM para resolver tendências de secas e furacões, que se desenvolvem ao longo de vários anos, "diz Mametjanov.

p "Os modelos meteorológicos podem resolver alguns desses, mas no máximo por cerca de 10 dias. Portanto, ainda há uma lacuna entre os modelos meteorológicos e os modelos climáticos e, usando E3SM, estamos tentando fechar essa lacuna. "

p O artigo da colaboração E3SM, "O DOE E3SM Coupled Model Versão 1:Descrição e resultados em alta resolução, "apareceu na edição de dezembro de 2019 do Journal of Advances in Modeling Earth Systems.