National Center for Atmospheric Research (NCAR) har släppt en uppdaterad version av sin flaggskeppsklimatmodell med en mängd nya funktioner - från en mycket mer realistisk representation av Grönlands utvecklande inlandsis till förmågan att i detalj modellera hur grödor interagerar med större jordsystem till tillägg av vinddrivna vågor på modellens havsyta.

Community Earth System Model version 2 (CESM2) är en dator med öppen källkodsmodell som till stor del finansieras av National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor, och U.S. Department of Energy's Office of Science.

Släpptes offentligt förra veckan, CESM2 bygger på en rad klimatmodeller, varje spets för sin dag, sträcker sig årtionden tillbaka till en tid då deras programvara endast simulerade atmosfärisk cirkulation. Som jämförelse, CESM2 inkluderar interaktioner mellan landet, hav, atmosfär, landis, och havsis, som representerar de många viktiga sätten som de olika delarna av jordsystemet påverkar.

"Bredden av de vetenskapsfrågor som vi kan ta itu med har väsentligt utökats; det är väldigt spännande för mig, "sa Jean-François Lamarque, som ledde ansträngningen att utveckla CESM2 tills nyligen. "Varje gång vi släpper en ny modell erbjuder vi ett bättre verktyg för att göra vetenskapen. Det är ett mer komplicerat verktyg, men världen är väldigt komplicerad. "

De nya funktionerna i CESM2 inkluderar:

• En atmosfärisk modellkomponent som innehåller betydande förbättringar av dess turbulens och konvektion, som öppnar vägen för en analys av hur dessa småskaliga processer kan påverka klimatet.
• Förbättrad förmåga att simulera olika tropiska variationer som kan sträcka sig över årstider och påverka globala vädermönster, inklusive extrem nederbörd över västra USA. Dessa mer realistiska framställningar gör det möjligt för forskare att bättre förstå dessa kopplingar och kan leda till förbättrade säsongsprognoser.
• En landismodellkomponent för Grönland som kan simulera det komplexa sättet som inlandsisen rör sig - trög i mitten och mycket snabbare nära kusten - och gör ett bättre jobb med att simulera kalvning av isen i havet.
• En global växtmodellkomponent som kan simulera både hur odlingsmark påverkar det regionala klimatet, inklusive effekterna av ökad bevattning, och hur det förändrade klimatet kommer att påverka grödans produktivitet. Komponenten gör det också möjligt för forskare att utforska effekterna av ökad användning av gödningsmedel och högre koncentrationer av atmosfärisk koldioxid, vilket kan stimulera växternas tillväxt.
• En vågmodellkomponent som simulerar hur vinden skapar vågor på havet, en viktig mekanism för blandning av övre havet, vilket i sin tur påverkar hur väl modellen representerar havets yttemperaturer.
• En uppdaterad flodmodellkomponent som simulerar ytflöden över sluttningar och till bifloder innan den går in i huvudflodkanalen. Det simulerar också vattenhastigheten när den rör sig genom kanalen, tillsammans med vattendjup.
• En ny uppsättning infrastrukturverktyg som ger många nya funktioner för enklare portabilitet, fallgenerering och användaranpassning, testfunktioner, och kraftigt ökad robusthet och flexibilitet.

En fullständig lista över uppdateringar med mer tekniska beskrivningar finns på http://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/whatsnew.html.

Gemenskapsdriven, ständigt förbättrad

Arbetet med CESM2 började på allvar för ungefär fem år sedan, men forskare började pyssla med hur man kan förbättra modellen så snart CESM1 släpptes 2010. Det är inte annorlunda med CESM2.

"Vi har redan börjat fundera på vad vi kan förbättra för CESM3, "Sa Lamarque." Vi vet, till exempel, att vi vill göra havsmodellen bättre för att utöka den typ av vetenskapliga frågor som den kan användas för att svara på. "

Samarbete och input från det bredare jordvetenskapliga samhället har alltid varit kärnan i den komplexa modellutvecklingen som NCAR har underlättat. Till exempel, markmodellkomponenten i det nya CESM2 utnyttjade mer än 50 forskares expertis vid 16 olika institutioner.

CESM, som är fritt tillgänglig, är ett viktigt verktyg för forskare inom jordvetenskap i hela USA och hela världen som studerar allt från förutsägbarhet för säsongens torka till accelererande havsnivåhöjningar. Den NCAR-baserade modellen är en av ett tiotal ledande klimatmodeller runt om i världen som forskare använder för att undersöka det förändrade klimatet och bidra med vad de hittar till mellanstatliga panelen för klimatförändringar.

Eftersom jordsystemet är så komplicerat, och datorresurser är så begränsade, datormodellerna som används för att simulera hur jordens klimat beter sig använder en blandning av ekvationer som faktiskt representerar fysiken, biologi, och kemi bakom de processer som utspelar sig i jordsystemet - från avdunstning till ozonbildning till avskogning till havssmältning - och "parameteriseringar, "som förenklar småskaliga processer och uppskattar deras effekter.

"CESM2 representerar mycket mer av fysiken än tidigare modeller, och vi gör ett mycket bättre jobb med det, "sade CESM -chefsforskaren Gokhan Danabasoglu, som nu leder modellutvecklingsarbetet. "Det finns många nya funktioner i alla komponentmodeller samt betydande infrastrukturförbättringar för flexibilitet och enklare portabilitet."

Dessa förbättrade ekvationer gör att modellen kan göra ett ännu bättre jobb som replikerar den verkliga världen.

"Modellen är vårt labb - det enda laboratoriet vi får när vi studerar klimatet, "Sa Lamarque." Så det måste vara tillräckligt nära den verkliga världen för att vara relevant. "