För att bedöma långsiktiga risker för livsmedel, vatten, energi och andra kritiska naturresurser, Beslutsfattare förlitar sig ofta på jordsystemmodeller som kan producera tillförlitliga prognoser av regionala och globala miljöförändringar som sträcker sig över decennier.

En nyckelkomponent i sådana modeller är representationen av atmosfärisk kemi. Atmosfäriska simuleringar som använder avancerade komplexa kemiska mekanismer lovar de mest exakta simuleringarna av atmosfärisk kemi. Tyvärr deras storlek, komplexitet, och beräkningskrav har tenderat att begränsa sådana simuleringar till korta tidsperioder och ett litet antal scenarier för att ta hänsyn till osäkerhet.

Nu har ett team av forskare under ledning av MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change tagit fram en strategi för att införliva förenklade kemiska mekanismer i atmosfäriska simuleringar som kan matcha resultaten som produceras av mer komplexa mekanismer för de flesta regioner och tidsperioder. Om det implementeras i en tredimensionell jordsystemmodell, den nya modelleringsstrategin skulle kunna göra det möjligt för forskare och beslutsfattare att utföra låga kostnader, snabba atmosfärisk kemi-simuleringar som täcker långa tidsperioder under ett brett spektrum av scenarier. Denna nya förmåga kan både förbättra forskarnas förståelse av atmosfärisk kemi och ge beslutsfattare ett kraftfullt riskbedömningsverktyg.

I en ny studie som visas i European Geosciences Unions tidskrift Geoscientific Model Development, forskargruppen genomförde tre 25-åriga simuleringar av troposfärisk ozonkemi med användning av kemiska mekanismer av olika komplexitetsnivåer inom det allmänt använda CESM CAM-chem-modelleringsramverket, och jämförde deras resultat med observationer. De undersökte förhållanden under vilka dessa förenklade mekanismer matchade resultatet av den mest komplexa mekanismen, liksom när de skiljde sig åt. Forskarna visade att för de flesta regioner och tidsperioder, skillnaderna i simulerad ozonkemi mellan dessa tre mekanismer är mindre än skillnaderna mellan modellobservationerna själva. De hittade liknande resultat för simuleringar av kolmonoxid och dikväveoxid.

"Den mest förenklade mekanismen som vi testade, kallas supersnabb, körde tre gånger så snabbt som den mest komplexa (MOZART-4) samtidigt som den gav samma resultat, " säger Benjamin Brown-Steiner, studiens huvudförfattare och en tidigare postdoc vid MIT Joint Program och Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). "Denna effektivitetsnivå kan till exempel, göra det möjligt för forskare att studera en aspekt av atmosfärisk kemi under loppet av 2000-talet, kört den förenklade modellen i 100 år, och verifiera dess noggrannhet genom att köra den komplexa modellen i början, mitten och slutet av århundradet."

Brown-Steiner och hans medarbetare undersökte också hur det samtidiga utnyttjandet av kemiska mekanismer av olika komplexitet kan främja vår förståelse av atmosfärisk kemi i olika skalor. De fastställde att forskare kunde effektivisera undersökningar av atmosfärskemi genom att utveckla simuleringar som inkluderar både komplexa och förenklade kemiska mekanismer. I sådana simuleringar, komplexa mekanismer skulle ge en mer fullständig representation av komplex atmosfärisk kemi, och enkla mekanismer skulle effektivt simulera längre tidsperioder för att bättre förstå rollerna för meteorologisk variation och andra källor till osäkerhet.

"Genom att notera var resultat som produceras av enkla och komplexa mekanismer skiljer sig åt i vissa regioner, årstider eller tidsperioder, du kan bestämma var och när simuleringar kräver mer komplex kemi, och öka modelleringskomplexiteten efter behov, " säger Brown-Steiner.

Det är en modelleringsstrategi som lovar att förbättra både forskarnas förståelse av jordens atmosfär och beslutsfattares förmåga att bedöma miljöpolitik, säger forskarna.

"Vår studie visar att mer komplexa modeller inte alltid är mer användbara för beslutsfattande, säger Noelle Selin, en medförfattare till studien, docent inom MIT:s Institute for Data, Systems and Society och EAPS, och Joint Program fakultet affiliate. "Forskare måste tänka kritiskt på om enkla och effektiva tillvägagångssätt som denna kan vara lika informativa till lägre kostnad."

Till sist, studien kan leda till införandet av förenklade atmosfäriska mekanismer i tredimensionella jordsystemsmodelleringsramar. Denna förmåga skulle hjälpa forskare och beslutsfattare att arbeta långsiktigt, stor ensemble (som täcker flera scenarier för att representera en rad osäkerheter i nyckelmodelleringsparametrar) 3D-simuleringar av jordens atmosfär inom en rimlig tidsperiod.

"Vi representerar för närvarande ozon, sulfataerosoler, och andra viktiga bidragsgivare till strålningskraft i jordsystemet i tvådimensionella modeller som inte ger den nivå av noggrannhet vi vill ha, säger Ronald Prinn, EAPS professor och Joint Program co-director, som är medförfattare till studien.

"För detta ändamål skulle vi vilja representera dessa i tredimensionella modeller och köra ensembler [flera scenarier], men när vi väl har lagt in ett fullständigt 3-D kemikaliepaket, datortid blir oöverkomligt, " tillägger Prinn. "Denna studie visar att för beräkningar av strålningskraft, Att införliva ett snabbt kemiskt paket i ett modelleringssystem kan få en trovärdig överensstämmelse mellan enkla och komplexa kemiska mekanismer och observationer."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.