Skip to main content

Article Category

Story

Article available in the folowing languages:

Najważniejsze wiadomości - Modele klimatyczne na wybiegu superkomputerów

Fińscy uczeni wykorzystali infrastrukturę superkomputerową, opracowaną przez finansowanych przez UE naukowców, do zbadania dokładności modeli klimatycznych, w ramach prowadzonych obecnie wysiłków na rzecz zwiększenia precyzji oraz adekwatności tych modeli.

Gospodarka cyfrowa

Modele klimatyczne stanowią nieodzowny element przygotowywania społeczeństwa na potencjalne skutki zmian klimatycznych, jednak ich opracowywanie stanowi złożone zagadnienie naukowe, charakteryzujące się dużym stopniem niepewności. Aktualnie przewiduje się, że w okresie od 1990 roku do 2095 roku temperatura może wzrosnąć od 1,1 do 6,4 stopnia Celsjusza, co stanowi ogromny rozrzut. 'Kluczowym czynnikiem nieprzewidywalności modeli klimatycznych są zmiany zachmurzenia', mówi Petri Räisänen, pracownik Fińskiego Instytutu Meteorologicznego ('Finnish Meteorological Institute') oraz naukowiec uczestniczący w projekcie projekt MillCli . 'Jeśli w przyszłości zwiększy się zachmurzenie na niskim pułapie, to zwiększy się także procent promieniowania słonecznego odbijanego z powrotem w kosmos, co powinno zahamować proces globalnego ocieplenia. Jednak jeżeli zachmurzenie na niskim pułapie ulegnie zmniejszeniu, to nastąpi eskalacja globalnego ocieplenia', mówi Dr Räisänen. W ramach projektu MillCli wykorzystano zasoby superkomputerowe oferowane przez "Rozproszona infrastruktura europejska do zastosowań superkomputerowych" ('Distributed European infrastructure for supercomputing applications' - DEISA)], w celu zbadania dwóch kluczowych czynników niepewności modeli klimatycznych: chmur oraz ich wzajemnego oddziaływania z promieniowaniem. DEISA oferuje europejskim naukowcom, takim jak Dr Räisänen, bardzo przydatne zasoby. W ciągu pięciu lat, w ramach dwóch etapów projektu DEISA, połączono we wspólną sieć najpotężniejsze europejskie superkomputery, a także stworzono oprogramowanie ułatwiające naukowcom korzystanie z tej ogromnej mocy obliczeniowej, niezależnie od lokalizacji. Uczestnicy projektu dostarczyli ponadto wsparcie i doradztwo, aby upewnić się, że naukowcy będą czerpali możliwe największe korzyści z wykorzystywania dostępnych urządzeń. Dzięki temu irlandzcy naukowcy mogą używać niemieckich superkomputerów, zoptymalizowanych przez holenderskich programistów i wspieranych przez hiszpańskich, francuskich oraz włoskich ekspertów technicznych. Jest to prawdziwie ogólnoeuropejska platforma przetwarzania danych. Prace prowadzone w ramach projektu DEISA doprowadziły także do stworzenia "inicjatywy na rzecz obliczeń ekstremalnych DEISA" ('DEISA extreme computing initiative' - DECI), która pozwala udostępnić najnowocześniejsze europejskie zasoby badaczom pracującym nad naprawdę trudnymi problemami naukowymi. Inicjatywa DECI dostarczyła wsparcie dla szeregu europejskich inicjatyw badawczych dotyczących zmian klimatycznych - a w szczególności modelowania i symulacji - i stanowiła bezcenny element projektu MillCli. 'Chociaż prowadzone przez nas obliczenia wykorzystywały zaledwie 12% zasobów CPU przydzielonych projektowi MillCli, uruchomienie tych obliczeń na zasobach komputerowych dostępnych dla Fińskiego Instytutu Meteorologicznego byłoby zbyt kosztowne', zauważa Dr Räisänen. Uczestnicy projektu MillCli potrzebowali bardzo wydajnych komputerów, w celu zbadania zjawisk związanych z zachmurzeniem i promieniowaniem, oraz sposobów przedstawiania tych zjawisk w istniejących modelach. 'Najważniejszy problem stanowi niewystarczająca rozdzielczość', zaznacza Dr Räisänen. 'Na model atmosfery składają się komórki, których powierzchnia zwykle wynosi 200x200 km, a wysokość 0,5-1 km. Jednak wiele procesów wpływających na powstawanie chmur oraz ich właściwości zachodzi na znacznie mniejszą skalę.' Wysoko cenione By zbadać powyższy problem uczestnicy projektu MillCli wykorzystali atmosferyczny "model cyrkulacji ogólnej" ('General circulation model' - GCM) zwany ECHAM. ECHAM5 stanowi piątą generację tego modelu, opracowaną przez Instytut Meteorologiczny Maxa Plancka ('Max Planck Institute for Meteorology'). Model ECHAM5 cieszy się dużym poważaniem w środowisku osób zajmujących się badaniem klimatu i był jednym z modeli GCM wykorzystanym przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu ('Intergovernmental Panel on Climate Change'), w celu przewidzenia tempa globalnego ocieplenia w bieżącym stuleciu. 'Celem było zbadanie wpływu bardziej zaawansowanej analizy struktury chmur, prowadzonej na skalę mniejszą niż pojedyncza komórka o wymiarach 200 x 200 km, na symulacje klimatu ECHAM5, a zwłaszcza na wrażliwość na zwiększone stężenie CO2 w atmosferze'. Uczestnicy projektu wykorzystali trzy rodzaje modelu ECHAM5. W pierwszym z nich zastosowano prosty wzorzec "wilgotności względnej" ('Relative-humidity' - RH), w celu określenie stężenia chmur w poszczególnych komórkach sieci. W drugiej wersji modelu zastosowano bardziej zaawansowane mechanizmy analizy zachmurzenia, oparte na innowacyjnym schemacie powstawania chmur, opracowanym przez Adriana Tompkinsa. Schemat ten, zwany schematem Tompkinsa, pozwala szacować zachmurzenie oraz tworzyć "podmodele" zmienności stężenia wody w chmurach, w oparciu o funkcję rozkładu prawdopodobieństwa stężenia wody w danej komórce sieci. W trzecim modelu zastosowano funkcję Tompkinsa oraz zastąpiono standardowy schemat promieniowania, obecny w modelu ECHAM5, bardziej zaawansowanym schematem, bezpośrednio dotyczącym struktur chmur, oparty o skalę mniejszą niż pojedyncza komórka. Naukowcy przetestowali każdą z wersji modelu dokonując dwóch symulacji, obejmujących okres 100 lat, przy czym pierwsza z nich dotyczyła pre-industrilanego stężenia CO2, wynoszącego 286,2 cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza ('Parts per million by volume' - ppmv), natomiast druga opierała się zwiększonej zawartości CO2, wynoszącej 450 ppmv. Przeprowadzono ponadto szereg symulacji obejmujących krótszy okres, w celu ułatwienia interpretacji wyników. Obliczenia przeprowadzono na komputerze SGI Altix 4700, zlokalizowanym w Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) w Monachium, w Niemczech. W każdej z symulacji przeprowadzonych w ramach projektu MillCli wykorzystano 28 procesorów, a każdy rok symulowanego czasu pochłonął około 6-7 godzin zegarowych. Kilka symulacji przeprowadzono w sposób równoległy. 'Z punktu widzenia symulowania obecnego klimatu, różnice pomiędzy trzema powyższymi modelami były stosunkowo niewielkie. Gdy porównano struktury symulowanych zachmurzeń z danymi obserwacyjnymi, pozyskanymi dzięki satelitom, odkryto szereg podobnych błędów, obecnych w każdej z wersji modelu', mówi Dr Räisänen. Powyższy obraz uległ radykalnej zmianie, gdy naukowcy przeprowadzili symulację sięgającą w przyszłość - poszczególne wersje modelu charakteryzowały się wyraźnie odmiennymi wynikami symulacji klimatu na przestrzeni czasu, pomimo podobnych wyników symulacji klimatu aktualnego. 'Pierwsza wersja, którą wykorzystano jako punkt wyjściowy, prognozowała mniejsze ocieplenie klimatu, niż miało to miejsce w przypadku pozostałych dwóch wersji. Natomiast trzecia wersja wskazywała na najbardziej nasiloną reakcję na zwiększony poziom CO2 oraz na większe o prawie 50% ocieplenie klimatu, niż w przypadku wersji pierwszej', ujawnia Dr Räisänen. Mówiąc dokładnie, średnie globalne ocieplenie, wywołane wzrostem poziomu CO2 z 286,2 ppmv do 450 ppmv wyniosło 2,02 °K (Kelvina) w przypadku pierwszej wersji modelu, 2,73 °K w przypadku wersji drugiej oraz 3,01 °K w przypadku wersji trzeciej. 'Uzyskane wyniki można tłumaczyć tym, że w przypadku obydwu wersji bazujących na schemacie Tompkinsa globalne ocieplenie powoduje zmniejszenie zachmurzenia na niskim pułapie. Oznacza to, że zmniejsza się odsetek promieniowania słonecznego odbijanego z powrotem w przestrzeń kosmiczną, jednak ilość ziemskiego promieniowania cieplnego, uwalnianego w kosmos, ulega jedynie niewielkiej zmianie,' zaznacza Dr Räisänen. 'W związku z powyższym powstaje zjawisko pozytywnego sprzężenia zwrotnego, które dodatkowo potęguje globalne ocieplenie. Jednak w chwili obecnej nie wiadomo dokładnie co jest przyczyną zmniejszania się zachmurzenia na niskim pułapie.' Według Dr Räisänena powyższe wyniki wspierają tezę, że chociaż modele wydają się dostarczać podobne wyniki symulacji obecnego klimatu, to mogą znacznie się różnić w zakresie prognozowania nasilenia zmian klimatycznych w przyszłości. Wobec powyższego trudno jest ocenić niezawodność prognoz zmian klimatycznych wyłącznie w oparciu o skuteczność modeli w odniesieniu do czasów obecnych. Zalecane jest zatem przeprowadzenie analizy wykraczającej poza zwykłe średnie czasowe, sugeruje Dr Räisänen. Pytanie, które elementy symulacji obecnego klimatu są kluczowe w kontekście przewidywania przyszłych zmian klimatycznych, pozostaje, według Dr Räisänena, wciąż bez odpowiedzi. Kwestia niepewności co do tempa globalnego ocieplenia pozostaje otwarta, jednak badania przeprowadzone w ramach projektu MillCli wykazały, że zmniejszenie zachmurzenia na niskim pułapie będzie miało istotny wpływ zarówno na temperaturę, jak i na szybkość zachodzenia zmian klimatycznych. Projekt DEISA2 uzyskał wsparcie finansowe w wysokości 10,24 milionów euro (całkowity budżet projektu wyniósł 18,65 milionów euro) w ramach podprogramu "systemy gridowe e-nauki" ('e-Science grid infrastructures'), będącego częścią Siódmego Programu Ramowego UE. Użyteczne odnośniki: - "Rozproszona infrastruktura europejska do zastosowań superkomputerowych" - 'Distributed European infrastructure for supercomputing applications' - informacje na temat projektu DEISA2 w bazie danych CORDIS - program / projekty na temat e-Infrastruktur - projekt MillCli Odnośne publikacje: - "Łączenie superkomputerów w celu prowadzenia symulacji słońca, klimatu oraz organizmów ludzkich" - 'Linking supercomputers to simulate the sun, the climate and the human body' - "Wirus HIV na celowniku cuperkomputerów" - 'Supercomputers target HIV' - "Spokojniejsze wody dzięki superkomputerom" - 'Supercomputing calms troubled waters' (Dostępny w najbliższych tygodniach - "Superkomputery mają swojego własnego superbohatera" - 'Supercomputing gets its own superhero' - Grid: nowy sposób prowadzenia badań naukowych" - 'Grid: a new way of doing science' - "Europejscy naukowcy badający syntezę uzyskują dostęp do najlepszych superkomputerów" - 'Europe's fusion researchers to tap into top supercomputing resources'