Nowe modele pozwalają opisać ziemski klimat w skali kilometrowej
Do tej pory w badaniach nad klimatem brakowało odpowiednich narzędzi, aby odpowiedzieć na pytania dotyczące tego, jakie zdarzenia pogodowe mogą wystąpić, kiedy, gdzie i jak często. Technologia po prostu nie była wystarczająco zaawansowana, aby poradzić sobie z taką złożonością. „Kluczowa zmiana polega na tym, że nowe modele mogą teraz wypełnić lukę między wzorcami pogodowymi w skali planetarnej, na których koncentrują się tradycyjne modele klimatyczne, a ruchami w mniejszej skali, które są przyczyną tych wzorców”, mówi Bjorn Stevens, koordynator finansowanego przez UE projektu NextGEMS(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „W odróżnieniu od do starszych modeli, które w dużej mierze opierają się na przybliżeniach empirycznych, te nowe symulacje są lepiej ugruntowane w fizycznych prawach termodynamiki i dynamiki płynów. Skok ten jest możliwy dzięki ogromnym postępom w zakresie mocy obliczeniowej, który po części wynika z rosnących wymagań systemów sztucznej inteligencji”.
Od wzorców globalnych do skutków lokalnych
Na przykład, obecnie możliwe jest symulowanie lokalnych wzorców wiatru i prądów oceanicznych, pomagających podtrzymywać wiele naturalnych systemów na Ziemi. Możemy także symulować ulewy, w tym cyklony tropikalne, których efekty wcześniej pomijaliśmy lub traktowaliśmy statystycznie. Burze te mają duży wpływ na społeczeństwo, ponieważ mogą powodować powodzie, niszczyć infrastrukturę i zagrażać życiu ludzkiemu. Kolejnym ważnym przełomem jest możliwość uwzględnienia w symulacjach wirów oceanicznych. „Te wirujące systemy cyrkulacji pomagają zrównoważyć ziemski budżet energetyczny i wpływają na strukturę globalnego oceanu. Wchodzą one również w interakcje z pokrywami lodowymi, a proces ten ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zmian poziomu morza”, wyjaśnia Stevens. Oprócz tych zjawisk o dużej skali nowe modele mogą teraz również uwzględniać coraz mniejsze, lokalne efekty, takie jak mikroklimaty tworzone przez złożoną topografię, systemy wiatrowe związane z pogodą pożarową lub chłodzący efekt bryzy morskiej wzdłuż linii brzegowych.
Pogłębianie wiedzy na temat opadów i zachowania chmur
Zespół NextGEMS opracował dwa zaawansowane modele burzowe do użytku badawczego i operacyjnego przez Destination Earth. Jeden został skonstruowany w oparciu o ramy modelowania ICON, a drugi w oparciu o zintegrowany system prognoz ECMWF. Modele te charakteryzują się imponującą rozdzielczością siatki – do 1 km. Mają też inne ważne zalety: „Można je łatwiej porównać z rzeczywistymi pomiarami, zwłaszcza danymi z najnowszych satelitów Earth Explorers”, podkreśla Stevens. Ułatwia to ich ocenę i ulepszanie, dając nadzieję na dokładniejszą fizyczną reprezentację klimatu. Dzięki mocy obliczeniowej EURO HPC modele te służą do badania szerokiego zakresu zagadnień naukowych. Przykładem są zjawiska, które kontrolują tropikalne wzorce opadów, to, jak tworzą się i organizują chmury, jak klimat reaguje na ocieplenie i aerozole oraz jak zmiany użytkowania gruntów wpływają na opady. Najważniejsze odkrycia dotyczą roli wymiany energii między powietrzem a morzem w kształtowaniu opadów tropikalnych, pętli sprzężenia zwrotnego między opadami a wilgotnością gleby, sposobu, w jaki mieszanie pionowe w stabilnych warunkach wpływa na rozkład chmur, oraz roli wirów oceanicznych w regulowaniu przestrzennego wzorca globalnego ocieplenia.
Synergia między dokładnymi i uproszczonymi modelami
Nowe modele doskonale radzą sobie z dostarczaniem bardziej fizycznych prognoz dotyczących zmiany klimatu w perspektywie najbliższych kilku dekad. Jednak w przypadku dłuższych skal czasowych – stuleci lub tysiącleci – nadal niezastąpione są starsze, bardziej statystyczne modele. Ponieważ są prostsze pod względem obliczeniowym, mogą działać dłużej, tworząc duże zespoły, w których te same obliczenia są powtarzane wiele razy. Dzięki temu można dokładniej określić, jak duża zmienność jest nieodłącznie związana z samym systemem. To sprawia, że są nieocenione w pracach mających na celu poznanie długoterminowych zmian i zmienności w skali dekad. „Najlepiej myśleć o nowych modelach jako o takich, które zostały zaprojektowane, aby pomóc nam w zrozumieniu lokalnej adaptacji do zmiany klimatu. Starsze modele koncentrują się na globalnie uśrednionych zmianach, co jest przydatne w określaniu strategii łagodzenia”, podsumowuje Stevens.
