Den första jordsystemmodellen utvecklad och baserad i Afrika skapar en av de mest tillförlitliga och mest detaljerade moduleringarna av klimatförändringar.

Vad krävs för att återskapa jorden? Ett par tusen rader kod, släng in lite data från alla väderstationer runt om i världen, och en superdator.

Lägg därtill en specialistutvecklare av klimatmodeller som professor Francois Engelbrecht från Wits Global Change Institute och du har den första Earth System Model utvecklad och baserad i Afrika, som ska bidra till World Climate Research Programmes Coupled Model Intercomparison Project Phase Six (CMIP6).

Engelbrecht, som började med Wits i januari 2019 efter att ha arbetat på Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) i ett decennium, arbetar med att bygga en matematisk modell av jorden, inklusive allt det atmosfäriska, oceaniska, mark- och kolkretsloppsprocesser och deras interaktioner, för att kunna projicera effekterna av framtida klimatförändringar i Afrika och över hela världen. Mot detta mål, han arbetar i nära samarbete med forskare från Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) i Australien, CSIR i Sydafrika, University of Cape Town (UCT) och University of Venda.

"Kodning är en del av mitt liv. Jag kodar varje dag, säger Engelbrecht, som är en av endast en handfull klimatmodellutvecklare som finns.

Hur man bygger en jordsystemmodell

Att bygga en jordsystemmodell är ingen enkel uppgift. Att göra detta, Engelbrecht behöver bearbeta data från 50 lager av jordens atmosfär, som är cirka 50 km djup; havet från dess yta till botten, uppdelad i 30 lager och marken, uppdelad i sex lager för att simulera markfuktighet och temperatur.

En jordsystemmodell ger ett numeriskt urval av alla fysiska processer som förekommer i det tredimensionella kopplade ocean-atmosfär-land-systemet. Han måste också inkludera kemi i havet och atmosfären, inklusive de effekter som kolkretsloppet har på klimatsystemet.

"Både havet och landet är stora sänkor (absorberare) av kol. Det finns också naturliga processer som släpper ut koldioxid i atmosfären. Vi måste se hur dessa processer fungerar och modellera hur kolkretsloppet kommer att påverka klimatet i framtiden i förekomsten av ökade koldioxidutsläpp som härrör från vårt beroende av fossila bränslen för energi, säger Engelbrecht.

En jordsystemmodell är baserad på en uppsättning matematiska ekvationer som beskriver hur jorden förändras över tiden till förändrad strålningskraft (till exempel, ökande koncentrationer av koldioxid). Det är, när fysikens lagar tillämpas på atmosfären, man får en uppsättning partiella differentialekvationer. Dessa ekvationer kan lösas numeriskt för att få en bild av vårt framtida klimat.

"I det ögonblick som du arbetar med dessa typer av data och numerisk matematik, du behöver en superdator för att bearbeta den, säger Engelbrecht.

"Den matematiska modellen bryter upp atmosfären i ett antal lager, och jorden i horisontella rutnätspunkter. Ju större dator, ju fler rutnätspunkter du kan lägga till, vilket gör modellen mer exakt."

Få tillgång till kraften hos superdatorer

Engelbrecht fick först på senare år tillgång till en superdator med tillräcklig processorkraft för att genomföra dessa beräkningsdyra simuleringar och bearbeta den enorma mängden data. Detta är Lengau-klustret av Center of High-Performance Computing (CHPC) vid Institutionen för vetenskap och teknik baserat i Rosebank, Kapstaden. En enda klimatsimulering kräver användning av hundratals till tusentals processorer i klustret, tillämpas parallellt för att lösa jordsystemets komplicerade ekvationer.

Även på de snabbaste superdatorerna i världen, den rumsliga upplösningen för jordsystemmodeller förblir begränsad till cirka 100 km i horisontalplanet. I en ny utveckling, Engelbrecht och hans kollegor går också in i världen av artificiell intelligens, att använda specialkonstruerade algoritmer som kan representera de finare detaljerna i systemet i rumsliga skalor som inte direkt lösts av Earth System Model.

"Traditionellt baserades representationen av finskaliga processer i jordsystemmodeller på konventionell statistik informerad av fältobservationer av hur de finskaliga processerna relaterar till de storskaliga flödesegenskaperna i havet och atmosfären. Maskininlärning möjliggör mer komplexa och sålunda måste mer realistiska samband formuleras mellan finskaliga och större flödesegenskaper i klimatsystemet, ", konstaterar Engelbrecht.

Engelbrecht, som gjorde sin doktorsexamen. i numerisk meteorologi vid University of Pretoria leder utvecklingen av den globala havsmodellen tillämpad inom Earth System Model. CSIRO förser systemet med sofistikerade globala atmosfäriska och landbaserade modeller, medan CSIR tillhandahåller och utvecklar kolcykelmodellen och atmosfärskemi som tillämpas inom Earth System Model.

För att beskriva ett initialt tillstånd för havet och atmosfären till Earth System Model, Engelbrecht och hans kollegor använder information från väderstationer över hela världen, som sammanställs och delas genom World Meteorological Organisation.

Engelbrecht påpekar att förståelsen av klimatet och kolcykeln i södra oceanen och dynamiken i Antarktis havsis och inlandsisar är avgörande för en tillförlitlig projektion av framtida klimatförändringar.

"Södra oceanen är en massiv kolsänka, och vi (Sydafrika, genom Southern Ocean Carbon and Climate Observatory (SOCCO) vid CSIR), har den bästa kunskapen i världen om södra oceanens kemi och fysik, vilket gör vår jordsystemmodell otroligt relevant för resten av världen, " säger Engelbrecht. "Vår modell är byggd genom linsen av södra oceanen och afrikanska klimatprocesser." SOCCO från CSIR och UCT:s Marine Science Institute är därför viktiga partners i utvecklingen av Earth System Model.

"Ett projekt från National Research Foundation Earth System Science Research Program (ESSRP) ger ett viktigt inledande momentum till detta samarbete, säger Engelbrecht.

Att bygga en jordsystemmodell är en helt tvärvetenskaplig uppgift, involverar experter från en mängd olika områden, inklusive klimatologer, oceanografer, ekologer, matematiker, fysiker, kemister och datavetare. Engelbrecht avser att i allt högre grad attrahera experter inom alla dessa områden för att arbeta tillsammans för att bygga och förbättra den afrikanskt baserade jordsystemmodellen.

"En av anledningarna till att jag kom till Wits var att exponera utvecklingsprocessen för Earth System Model för kollegor som har ledande expertis inom oceanografi, klimatologi, numerisk matematik, högpresterande datorer och artificiell intelligens så att vi kan samarbeta och gemensamt bidra till detta verkligt tvärvetenskapliga område. Vi har redan samlat en stark grupp forskarstuderande på GCI och Wits Schools of GAES and APES som kommer att få möjlighet att arbeta inom detta spännande tvärvetenskapliga område, samtidigt som de bidrar med sitt nya tänkande till Earth System Model, " han säger.

"Vi skapar en av de mest pålitliga och mest detaljerade moduleringarna av klimatförändringar för Afrika. Om vi ​​på ett tillförlitligt sätt kan projicera vår sannolika framtida klimatförändring i Afrika, då kan vi uppskatta risker för aspekter som vattensäkerhet, lantbruk, biologisk mångfald, och människors hälsa, och vidta tidiga åtgärder genom projekt för anpassning och begränsning av klimatförändringar."