Jorden stöder ett hisnande utbud av geografier, ekosystem och miljöer, som var och en har ett lika imponerande utbud av vädermönster och händelser. Klimatet är ett aggregat av alla dessa händelser i genomsnitt över en viss tidsperiod för en viss region. Ser man på helheten, Jordens klimat avslutade just årtiondet på en hög ton – även om det inte är den typ man kan fira.

I januari, flera ledande amerikanska och europeiska vetenskapsbyråer rapporterade 2019 som det näst hetaste året någonsin, avslutar det hetaste decenniet. Juli blev den varmaste månaden någonsin.

Genom att använda nya högupplösta modeller som utvecklats av U.S. Department of Energy's (DOE) Office of Science, forskare försöker förutsäga den här typen av trender för den närmaste framtiden och in i nästa århundrade; hoppas kunna tillhandahålla den vetenskapliga grunden för att hjälpa till att mildra effekterna av extremt klimat på energi, infrastruktur och jordbruk, bland andra viktiga tjänster som krävs för att hålla civilisationen framåt.

Sju DOE nationella laboratorier, inklusive Argonne National Laboratory, ingår i ett större samarbete som arbetar för att utveckla en högupplöst version av Energy Exascale Earth System Model (E3SM). Simuleringarna de utvecklade kan fånga den mest detaljerade dynamiken i klimatgenererande beteende, från transport av värme genom havsvirvlar – advektion – till bildandet av stormar i atmosfären.

"E3SM är en jordsystemmodell designad för att simulera hur kombinationer av temperatur, vindar, nederbördsmönster, havsströmmar och landyta kan påverka regionalt klimat och byggd infrastruktur på lokala, regional och global skala, " förklarar Robert Jacob, Argonnes E3SM-ledare och klimatforskare i dess division Environmental Science. "Mer viktigt, att kunna förutsäga hur förändringar i klimat och vattenkretslopp reagerar på ökande koldioxid (CO ₂ ) är oerhört viktig för att planera för vår framtid."

"Klimatförändringar kan också ha stor inverkan på vårt behov och förmåga att producera energi, hantera vattenförsörjning och förutse effekter på jordbruket", tillägger han, "så DOE vill ha en förutsägelsemodell som kan beskriva klimatförändringar med tillräckligt med detaljer för att hjälpa beslutsfattare."

Anläggningar längs våra kuster är känsliga för havsnivåhöjningar orsakade, till viss del, av snabba glaciärsmältningar, och många energiavbrott är resultatet av extremt väder och de osäkra förhållanden det kan skapa. Till exempel, 2019s historiskt kraftiga nederbörd orsakade skadliga översvämningar i de centrala och södra delstaterna, och het, torra förhållanden i Alaska och Kalifornien resulterade i massiva vilda bränder.

Och så finns det Australien.

För att förstå hur alla jordens komponenter fungerar tillsammans för att skapa dessa vilda och varierande förhållanden, E3SM delar upp världen i tusentals interberoende rutnätsceller—86, 400 för att atmosfären ska vara exakt. Dessa står för de flesta stora terrestra egenskaperna från "havets botten till nästan toppen av atmosfären, ", skrev samarbetsmedlemmar i en nyligen publicerad artikel i Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

"Globen är modellerad som en grupp celler med 25 kilometer mellan rutnätscentrum horisontellt eller en fjärdedels grad av latitudupplösning, " säger Azamat Mametjanov, en applikationsprestandaingenjör vid Argonnes division Mathematics and Computer Science. "Historiskt sett, rumslig upplösning har varit mycket grövre, vid en grad eller cirka 100 kilometer. Så vi har ökat upplösningen med en faktor fyra i varje riktning. Vi börjar bättre lösa de fenomen som energiindustrin oroar sig mest för - extremväder."

Forskare tror att E3SM:s kapacitet med högre upplösning kommer att tillåta forskare att lösa geofysiska egenskaper som orkaner och bergssnöpackningar som visar sig vara mindre tydliga i andra modeller. En av de största förbättringarna av E3SM-modellen var havsytans temperatur och havsisen i Nordatlanten, specifikt, Labradorhavet, vilket krävde en noggrann redovisning av luft- och vattenflödet.

"Detta är en viktig oceanisk region där modeller med lägre upplösning tenderar att representera för mycket havsis täckning, " Jacob förklarar. "Denna extra havsis kyler atmosfären ovanför den och försämrar våra förutsägelser i det området och även nedströms."

Att öka upplösningen hjälpte också till att lösa havsströmmarna mer exakt, som hjälpte till att få Labradorhavets förhållanden att överensstämma med observationer från satelliter och fartyg, samt göra bättre förutsägelser om golfströmmen.

En annan utmärkande egenskap hos modellen, säger Mametjanov, är dess förmåga att löpa över flera decennier. Medan många modeller kan köras med ännu högre upplösning, de kan bara löpa från fem till 10 år som mest. Eftersom den använder de ultrasnabba DOE-superdatorerna, 25 km E3SM-modellen gick en bana på 50 år.

Så småningom, laget vill köra 100 år åt gången, främst intresserad av klimatet runt 2100, vilket är ett standardslutdatum som används för simuleringar av framtida klimat.

Högre upplösning och längre tidssekvenser åt sidan, att köra en sådan modell är inte utan svårigheter. Det är en mycket komplex process.

För var och en av de 86, 400 celler relaterade till atmosfären, forskare kör dussintals algebraiska operationer som motsvarar vissa meteorologiska processer, som att beräkna vindhastighet, atmosfärstryck, temperatur, fukt eller mängden lokal uppvärmning som bidrar med solljus och kondens, för att nämna några stycken.

"Och då måste vi göra det tusentals gånger om dagen, " säger Jacob. "Att lägga till mer upplösning gör beräkningen långsammare; det gör det svårare att hitta datorns tid att köra den och kontrollera resultaten. Den 50-åriga simuleringen som vi tittade på i det här dokumentet tog ungefär ett år i realtid att köra."

En annan dynamik som forskare måste anpassa sin modell för kallas forcering, som främst syftar på de naturliga och antropogena drivkrafterna som antingen kan stabilisera eller driva klimatet i olika riktningar. Den huvudsakliga kraften på klimatsystemet är solen, som förblir relativt konstant, konstaterar Jacob. Men under hela 1900-talet, det har skett ökningar av andra externa faktorer, såsom CO ₂ och en mängd olika aerosoler, från havssprej till vulkanisk.

För denna första simulering, teamet undersökte inte så mycket en specifik tidsperiod som att arbeta med modellens stabilitet, så de valde en forcering som representerar förhållanden under 1950-talet. Datumet var en kompromiss mellan förindustriella förhållanden som användes i lågupplösta simuleringar och uppkomsten av de mer dramatiska antropogena växthusgasutsläppen och uppvärmningen som skulle komma till sin spets under detta århundrade.

Så småningom, modellen kommer att integrera nuvarande tvingande värden för att hjälpa forskare att ytterligare förstå hur det globala klimatsystemet kommer att förändras när dessa värden ökar, säger Jacob.

"Medan vi har viss förståelse, vi behöver verkligen mer information – liksom allmänheten och energiproducenterna – så vi kan se vad som kommer att hända på regional nivå, " tillägger han. "Och för att svara på det, du behöver modeller som har mer upplösning."

Ett av de övergripande målen med projektet har varit att förbättra prestandan för E3SM på DOE-superdatorer som Argonne Leadership Computing Facility's Theta, vilket visade sig vara den primära arbetshästen för projektet. Men när datorarkitekturer förändras med ett öga mot exascale computing, nästa steg för projektet inkluderar portering av modellerna till GPU:er.

"När upplösningen ökar med exascale-maskiner, det kommer att bli möjligt att använda E3SM för att lösa torka och orkantrender, som utvecklas under flera år, säger Mametjanov.

"Vädermodeller kan lösa några av dessa, men som mest i ca 10 dagar. Så det finns fortfarande ett gap mellan vädermodeller och klimatmodeller och, använder E3SM, vi försöker stänga det gapet."

E3SM-samarbetets artikel, "DOE E3SM Coupled Model Version 1:Beskrivning och resultat med hög upplösning, " dök upp i december 2019-numret av Journal of Advances in Modeling Earth Systems.