Novo modelo climático a ser construído desde o início

Novo modelo climático a ser construído desde o início

20/02/2020 Off Por Alair Corrêa

Enfrentando a certeza de uma mudança climática com a incerteza que permanece nas previsões de como ela mudará, cientistas e engenheiros de todo o país estão se unindo para criar um tipo de modelo climático projetado para fornecer previsões mais precisas e acionáveis.

Aproveitando os recentes avanços nas ciências computacionais e de dados, o esforço abrangente capitaliza vastas quantidades de dados que estão agora disponíveis e recursos de computação cada vez mais poderosos, tanto para o processamento de dados quanto para a simulação do sistema terrestre.

O novo modelo será construído por um consórcio de pesquisadores liderados pela Caltech, em parceria com o MIT; a Escola de Pós-Graduação Naval (NPS); e JPL, que Caltech gerencia para a NASA.

O consórcio, apelidado de Climate Modeling Alliance (CliMA), planeja fundir observações da Terra e simulações de alta resolução em um modelo que represente recursos importantes de pequena escala, como nuvens e turbulência, de maneira mais confiável que os modelos climáticos existentes.

O objetivo é um modelo climático que projete mudanças futuras em variáveis ​​críticas, como cobertura de nuvens, precipitação e extensão do gelo do mar com mais precisão – com incertezas pelo menos duas vezes menores que os modelos existentes.

“As projeções com os modelos climáticos atuais – por exemplo, de como recursos como extremos de chuva mudarão – ainda têm grandes incertezas, e as incertezas são pouco quantificadas”, diz Tapio Schneider, Theodore Y. Wu, professor de ciências ambientais e engenharia da Caltech. pesquisador do JPL e pesquisador principal do CliMA.

“Para as cidades que planejam sua infraestrutura de gerenciamento de águas pluviais para suportar os próximos 100 anos de inundações, essa é uma questão séria; respostas concretas sobre a provável faixa de resultados climáticos são fundamentais para o planejamento”.

O consórcio operará em uma atmosfera de ritmo acelerado e inicial, e espera ter o novo modelo em funcionamento nos próximos cinco anos – uma linha do tempo agressiva para a construção de um modelo climático essencialmente do zero.

“Um novo começo nos dá a oportunidade de projetar o modelo desde o início para rodar efetivamente em hardware de computação moderno e em rápida evolução, e para que os modelos atmosférico e oceânico sejam primos próximos um do outro, compartilhando os mesmos algoritmos numéricos”, diz Frank Giraldo, professor de matemática aplicada no NPS.

A modelagem climática atual se baseia em dividir o globo em uma grade e depois calcular o que está acontecendo em cada setor da grade, bem como a maneira como os setores interagem entre si.

A precisão de qualquer modelo depende em parte da resolução na qual o modelo pode visualizar a Terra – ou seja, o tamanho dos setores da grade.

Limitações na capacidade de processamento de computadores disponíveis significam que esses setores geralmente não podem ser menores que dezenas de quilômetros por lado. Mas para modelagem climática, o diabo está nos detalhes – detalhes que são perdidos em uma grade muito grande.

Por exemplo, nuvens baixas têm um impacto significativo no clima ao refletir a luz solar, mas as plumas turbulentas que as sustentam são tão pequenas que caem nas fendas dos modelos existentes.

Da mesma forma, as mudanças no gelo do Ártico estão ligadas a efeitos abrangentes em tudo, desde o clima polar até a seca na Califórnia, mas é difícil prever como esse gelo mudará no futuro porque é sensível à densidade da cobertura de nuvens acima.

O gelo e a temperatura das correntes oceânicas abaixo, os quais não podem ser resolvidos pelos modelos atuais.

Para capturar o impacto em larga escala desses recursos de pequena escala, a equipe desenvolverá simulações de alta resolução que modelam os recursos em detalhes em regiões selecionadas do globo.

Essas simulações serão aninhadas dentro do modelo climático maior. O efeito será um modelo capaz de “aumentar o zoom” em regiões selecionadas, fornecendo informações climáticas locais detalhadas sobre essas áreas e informando a modelagem de processos de pequena escala em qualquer outro lugar.

“O oceano absorve grande parte do calor e do carbono que se acumulam no sistema climático.

No entanto, quanto ele depende depende de turbilhões turbulentos no alto oceano, que são pequenos demais para serem resolvidos em modelos climáticos “, diz Raffaele Ferrari, Cecil e Ida Green Professor de Oceanografia no MIT.

“A fusão de simulações aninhadas de alta resolução com novas medidas disponíveis, por exemplo, de uma frota de milhares de carros alegóricos autônomos, pode permitir um salto na precisão das previsões do oceano”.

Embora os modelos existentes sejam frequentemente testados verificando previsões contra observações, o novo modelo dará um passo adiante, usando ferramentas de assimilação de dados e aprendizado de máquina para “ensinar” o modelo a se aperfeiçoar em tempo real, aproveitando as observações da Terra. e as simulações de alta resolução aninhadas.

“O sucesso da previsão meteorológica computacional demonstra o poder do uso de dados para melhorar a precisão dos modelos de computador; nosso objetivo é trazer os mesmos sucessos à previsão climática “, diz Andrew Stuart, professor de computação e ciências matemáticas da Brt, da Caltech.

Cada uma das instituições parceiras traz uma força e expertise de pesquisa diferentes ao projeto. Na Caltech, Schneider e Stuart se concentrarão na criação de algoritmos de assimilação de dados e aprendizado de máquina, além de modelos para nuvens, turbulência e outros recursos atmosféricos.

No MIT, Ferrari e John Marshall, também professor de Oceanografia de Cecil e Ida Green, liderarão uma equipe que modelará o oceano, incluindo a circulação em larga escala e a mistura turbulenta.

Na NPS, Giraldo liderará o desenvolvimento do núcleo computacional do novo modelo de atmosferaem colaboração com Jeremy Kozdon e Lucas Wilcox. Na JPL, um grupo de cientistas colaborará com a equipe do campus da Caltech para desenvolver modelos de processos para a atmosfera, biosfera e criosfera.

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