Ett konsortium bestående av forskare från mer än tio länder, inklusive Brasilien, USA och några europeiska nationer, kör simuleringar av det förflutna och framtida klimatet i Sydamerika med oöverträffad upplösning. Syftet är att skapa en datorvisualiseringsmodell som mer exakt representerar de hydroklimatiska processer som sker i regionen för att hjälpa beslutsfattare att implementera effektivare åtgärder för att anpassa sig till klimatförändringarnas effekter.
Arbetet presenterades vid en paneldiskussion om klimat den 10 april, under FAPESP Week Illinois, i Chicago (USA).
"Vi börjar nu korrekt representera Sydamerikas hydroklimat i de skalor som behövs", säger Francina Dominguez, forskare vid National Center for Supercomputing Applications vid University of Illinois i Urbana-Champaign och koordinator för projektet .
Enligt Dominguez förändras klimatet i Sydamerika, liksom i alla delar av världen. Ökad torka har registrerats i södra Amazonas, Cerrado-regionen, norra Brasilien och Chile. Detta scenario har påverkat jordbrukets avkastning, vattenförsörjning till reservoarer, vattenkraftsproduktion och tiotals miljoner människor i stora storstadsområden som São Paulo, Rio de Janeiro och Santiago de Chile.
De andinska glaciärerna, som är en viktig vattenkälla, har förlorat 30 % av sin yta i tropikerna och upp till 60 % i södra Anderna, den högsta andelen glaciärmassaförluster i världen. Å andra sidan har sydöstra Sydamerika upplevt en ökning av årlig nederbörd och en intensifiering av kraftig nederbörd sedan början av 1900-talet.
"Sydamerika står inför två gigantiska krafter, som är klimatförändringar och markanvändningsförändringar, som har inträffat inte bara i Amazonas regnskog utan även i andra områden i regionen, som Chaco i Argentina. Vi har också mycket stora förändringar. i både det globala och regionala klimatet Som ett resultat av dessa processer har vi observerat att klimatets extremer förändras över hela kontinenten, vilket utsätter vatten- och livsmedelssäkerheten för miljontals människor, säger Dominguez.
Framtida klimatprognoser baseras på globala klimatmodeller (GCM). Trots att de har förbättrats avsevärt under de senaste decennierna, kan dessa konceptuella representationer av det globala klimatet inte fånga detaljerna i Sydamerikas hydroklimat och uppvisa betydande snedvridningar, konstaterade forskaren.
En del av detta problem är relaterat till den grova rumsliga upplösningen hos dessa modeller, vars horisontella rutnätsavstånd, som representerar land och hav, är i storleksordningen tiotals kilometer (km). Som ett resultat kan de inte korrekt representera processer som sker i mindre skalor och i bergsområden, såsom lättnadsregn – som uppstår när moln möter hinder som kullar och berg – och snöfall som ackumuleras på berg och glaciärer.
"Med nuvarande GCM är det inte möjligt att se komplexa topografier, och det är ett problem i Sydamerika, där det finns Anderna och andra områden med den egenskapen," sa Dominguez.
GCM:er misslyckas heller med att realistiskt representera cykloner, lågnivåjetstrålar – den smala zonen av maximala vindar som uppstår under de första kilometerna av atmosfären – och stormar från organiserade anslutningssystem.
"I regioner i River Plate-bassängen, såväl som i São Paulo och andra stora stads- och jordbruksområden i Sydamerika, är organiserad konvektion en av de viktigaste nederbördsmekanismerna och är inte korrekt representerad i globala klimatmodeller", säger Dominguez.
Baserat på detta fynd har forskarna, genom ett forskningskonsortium kallat South America Affinity Group, kört två datorsimuleringar av en väderforsknings- och prognosmodell (WRF) med aldrig tidigare skådad hög upplösning och ett rutnätsavstånd på 4 km, som representerar kontinentens historiska och framtida klimat.
Syftet är att använda den historiska simuleringen för att validera modellen och bättre förstå kontinentens hydroklimatiska egenskaper i större detalj, och att använda den framtida klimatsimuleringen för att bedöma de förändringar som sannolikt kommer att inträffa i Sydamerika under ett varmare klimat.
"Det här är en stor insats som involverar mer än 100 forskare, många av dem från Brasilien och de flesta från São Paulo," sa Dominguez.
Enligt Kelvin Droegemeier, professor i atmosfärsvetenskap vid University of Illinois i Urbana-Champaign, har otroligt sofistikerade modeller av jordsystemet utvecklats under de senaste åren, som bland annat representerar atmosfären, isen, haven och biogeokemiska kretslopp.
Dessa modeller kräver mycket kraftfulla datorer för långsiktig integration. Problemet är dock att de bara kan nå en liten bråkdel av den maximala kapaciteten för dagens maskiner.
"Nuvarande modeller når bara mellan 2% och 3% av en exascale-maskin [en typ av högpresterande dator med en kapacitet runt tusen gånger snabbare än de mest kraftfulla superdatorerna som används]. Det är som om dessa modeller var en Ferrari eller en Formel 1-racingbil och kunde bara köras i en hastighet av 25 kilometer i timmen", jämförde forskaren.
Dessutom har modellerna upplösnings- och fysikproblem och kan inte fånga detaljer som processer som äger rum i regioner som Sydamerika. "Dessa modeller har många problem, men felet ligger inte hos dem, utan hos systemen de körs på", förklarade Droegemeier.
För att främja beräkningskapaciteten för att köra jordsystemmodeller kommer det amerikanska universitetet att hålla ett internationellt möte mellan slutet av september och början av oktober i år med syftet att utveckla ett beräkningssystem för frontierjordsystemvetenskap inom klimatsimulering och -projektion.
"Syftet kommer att vara att diskutera var datorsystemen finns som gör att vi kan köra dessa modeller med mycket hög global upplösning. Vi har intresserade parter, som chiptillverkare som NVIDIA och Intel, som är intresserade av att delta i diskussionen", sa forskaren .
Det amerikanska universitetet utvecklar också en plan för att skapa ett nationellt centrum för att förutsäga extrema händelser orsakade av klimatförändringar och ett annat för vetenskapen om förutsägelse och dess tillämpningar, meddelade Droegemeier.
Marcos Buckeridge, professor vid University of São Paulo (USP), deltog också i paneldiskussionen om klimatstudier.
Tillhandahålls av FAPESP
