Reportaje - Exhibición de modelos climáticos sobre la pasarela de la supercomputación
Los modelos climáticos resultan indispensables para preparar a la sociedad frente a las posibles repercusiones del cambio climático, pero la ciencia en la que se sustentan es extremadamente compleja y aún adolece de un grado elevado de incertidumbre. Las últimas predicciones indican que la temperatura podría subir entre 1,1 y 6,4°C en el periodo 1990-2095, un intervalo excesivamente amplio. «El factor de incertidumbre más importante por sí solo al elaborar modelos climáticos son los cambios de la nubosidad», afirmó Petri Räisänen, del Instituto Finlandés de Meteorología e investigador colaborador en el proyecto MillCli . «Si en el futuro aumenta la nubosidad baja, será mayor la radiación solar reflejada hacia el espacio, lo que aplacaría el calentamiento global. En cambio, si dicha nubosidad disminuyera este fenómeno se agravaría», apuntó el Dr. Räisänen. El equipo de MillCli se valió de los recursos de supercomputación facilitados por DEISA («Red europea distribuida para las aplicaciones de supercomputación») para estudiar dos factores fundamentales de la incertidumbre en los modelos climáticos: las nubes y su influencia en la radiación. DEISA constituye un recurso de inmensa importancia para científicos europeos como el Dr. Räisänen. A lo largo de cinco años y por medio de dos proyectos, DEISA conectó en red los superordenadores más potentes de Europa y desarrolló herramientas de software que facilitaron la utilización de la ingente potencia de procesamiento de esta infraestructura desde cualquier lugar. Asimismo, se desarrollaron servicios de apoyo que garantizasen que los investigadores usuarios pudieran sacar el máximo partido a las instalaciones disponibles. De este modo, por ejemplo, científicos irlandeses pueden utilizar superordenadores alemanes optimizados por programadores neerlandeses y respaldados por técnicos españoles, franceses o italianos. Se trata, pues, de una plataforma de supercomputación verdaderamente paneuropea. Parte de la labor realizada en DEISA condujo al desarrollo de DECI («Iniciativa de computación extrema de DEISA»), por la que se ponen recursos de primer nivel mundial a disposición de investigadores europeos dedicados a problemas científicos de una dificultad inusitada. Ciertamente, DECI ha prestado apoyo a numerosas iniciativas de investigación sobre el cambio climático en toda Europa (sobre todo relacionadas con modelización y simulación), habiendo sido determinante en el caso concreto de MillCli. «Nuestras tareas de cálculo sólo consumieron el 12 % de la cuota de CPU [unidad central de procesamiento] asignada a MillCli, pero se habrían prolongado demasiado de efectuarlas con los recursos computacionales disponibles en el Instituto Finlandés de Meteorología», adujo Räisänen. MillCli precisaba ordenadores de una potencia extrema para poder interpretar la nubosidad y la radiación y cómo se representan estos dos parámetros en los modelos actuales. «El principal inconveniente en este sentido es que la resolución es insuficiente», señaló Räisänen. «La atmósfera modelo está formada por una cuadrícula de celdas; las dimensiones de cada celda se corresponden con un área de 200x200 km y una altura de entre 0,5 y 1 km. Pero muchos de los procesos que influyen en la formación de las nubes y en sus propiedades tienen lugar a una escala mucho menor.» Muy bien considerado El equipo de MillCli utilizó el modelo de circulación general (GCM) de ECHAM relativo a la atmósfera para estudiar el problema en cuestión. ECHAM5 es la quinta generación del modelo, desarrollado por el Instituto Max Planck de Meteorología. Se trata de un modelo muy bien considerado en el contexto de los estudios climáticos; de hecho el IPCC (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático) empleó uno de los GCM para predecir el ritmo del calentamiento global durante este siglo. «El objetivo consistía en estudiar la influencia de aplicar un tratamiento más avanzado de la estructura de la nubosidad a escala inferior a la cuadrícula (para estudiar características inferiores al espaciado de 200 km usado en el modelo) en las simulaciones climáticas realizadas con ECHAM5, y en especial su sensibilidad al incremento del CO2 atmosférico.» El equipo utilizó tres variaciones de ECHAM5. La primera se basaba en un esquema simple de humedad relativa para determinar la fracción de la nubosidad asignada a cada celda de la cuadrícula. La segunda versión realizaba un tratamiento más sofisticado de la nubosidad, basado en un patrón de nubes innovador desarrollado por Adrian Tompkins. Esta versión calcula la fracción de nubosidad y también la variabilidad del contenido de agua de las nubes a escala inferior a la cuadrícula conforme a la función de distribución de la probabilidad en relación al contenido hídrico dentro de cada celda de la cuadrícula. El tercer modelo contenía la función de Tompkins y en él el esquema estándar de la radiación del ECHAM5 se sustituía por un esquema más avanzado que trata directamente la estructura de la nubosidad a una escala inferior a la cuadrícula. Los investigadores probaron cada versión del modelo abarcando periodos de cien años en cada ejecución; una con la concentración de CO2 de la época preindustrial, es decir, 286,2 partes por millón de volumen (ppmv), y otra con un valor superior, 450 ppmv. También repitieron múltiples veces la operación con periodos más cortos para facilitar la interpretación de los resultados. La computación se efectuó en un ordenador SGI Altix 4700 alojado en el Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) de Múnich (Alemania). En cada ejecución de los cálculos de MillCli se emplearon 28 procesadores. Cada año simulado necesitó, de principio a fin, entre 6 y 7 horas de procesamiento. Se realizaron varias simulaciones en paralelo. «La simulación del clima actual con las tres versiones del modelo deparó diferencias relativamente pequeñas. Cuando las estructuras de los campos de nubosidad simulados se compararon con los datos observacionales extraídos de imágenes satelitales, se hallaron errores sistemáticos similares en todas las versiones», informó Räisänen. Pero la situación cambió drásticamente cuando los investigadores realizaron cálculos relativos a los años siguientes, pues las distintas versiones depararon diferencias claras en las simulaciones del cambio climático en el tiempo, pese a ofrecer un resultado parecido al simular el clima actual. «La primera versión, empleada como punto de partida, arrojó un calentamiento climático menor que el de las otras dos versiones. La tercera indicó la respuesta más marcada al incremento del CO2 y un calentamiento casi un 50 % superior al de la primera versión», confesó Räisänen. De hecho, el calentamiento medio mundial resultante de incrementar el CO2 desde 286,2 ppmv hasta 450 ppmv fue de 2,02 Kelvin (K) en el primer modelo, 2,73 K en el segundo y 3,01 en el tercero .«Las diferencias se deben a que el calentamiento global reduce la nubosidad baja en las dos versiones basadas en el patrón de Tompkins. En otras palabras, disminuye la cantidad de radiación solar reflejada hacia el espacio sin que cambie notablemente la cantidad de radiación térmica emitida por la Tierra hacia el espacio», aclaró Räisänen. «Por consiguiente estas condiciones provocan una agudización del calentamiento global. No obstante, por ahora se desconoce la causa fundamental de que disminuya la nubosidad baja.» Según el Dr. Räisänen, estos resultados refuerzan la conclusión de que, si bien los modelos arrojan simulaciones bastante parecidas del clima presente, también pueden deparar diferencias notables en la intensidad del cambio climático con el paso del tiempo. Por tanto es difícil juzgar la fiabilidad de las predicciones sobre el cambio climático partiendo únicamente de la eficacia con la que el modelo simula el clima actual. Por ello recomienda no limitar los estudios a simples promedios temporales. Una incógnita de carácter general que, en opinión de Räisänen, sigue pendiente de una respuesta convincente, es qué características de las simulaciones del clima presente son las indispensables para simular el cambio climático futuro. En definitiva, persiste la incertidumbre sobre la velocidad del calentamiento global, pero la investigación realizada en MillCli ha demostrado que la disminución de la nubosidad baja ejercerá un impacto de grandes proporciones en las temperaturas y en la magnitud del cambio climático. DEISA2 recibió una financiación de 10,24 millones de euros (siendo su presupuesto total de 18,65 millones de euros) a través del subprograma «Infraestructuras de grid para ciencia electrónica» (e-Science grid infrastructures) del Séptimo Programa Marco de la UE. Enlaces útiles: - DEISA - registro de datos del proyecto DEISA2 en CORDIS - programa y proyectos de infraestructuras electrónicas - proyecto MillCli Artículos relacionados: - Interconexión de superordenadores para simular el Sol, el clima y el cuerpo humano - Superordenadores contra el VIH - La supercomputación calma aguas revueltas - El nuevo héroe de la supercomputación - La grid: una forma nueva de hacer ciencia - Los investigadores europeos de la fusión nuclear utilizarán recursos de supercomputación de alto nivel