DOE的特立独行气候模型即将进行首次测试

DOE的特立独行气候模型即将进行首次测试

一个新的模型模拟了北大西洋飓风和冷空气(黄色)。

代表E3SM项目的ALOSOS国家实验室MATHEW MALTRUD(LA-UR-18-23682)
DOE的特立独行气候模型即将进行首次测试

世界上不断增长的气候模型系列备受瞩目。 上周,经过近4年的工作,美国能源部(DOE)发布了计算机代码和初步成果,这是一项雄心勃勃的模拟地球系统的努力。 新模型专为在未来的超级计算机上运行而设计,旨在预测气候将如何变化,以及这些变化如何影响能源基础设施。

即将对全球模型进行比较的结果可能显示新进入者的运作情况。 但到目前为止,它正在得到一个混合的接受,一些人质疑是否需要另一种模式,而另一些人则表示8000万美元的努力尚未改善对未来气候的预测。 甚至该项目的首席科学家,位于华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室(PNNL)的Ruby Leung也承认该模型尚未成为领导者。 “我们真的不希望我们的模型会让世界惊叹,”她说。

自20世纪60年代以来,气候建模者已经使用计算机来构建虚拟地球仪。 他们将大气和海洋分成数千个箱子,并为每个箱子分配天气条件。 根据物理定律,玩具世界随后经过模拟世纪的演变。 从历史上看,能源部在气候模拟中的主要作用是为社区地球系统模型(CESM)做出贡献,这是一项基于科罗拉多州博尔德国家大气研究中心(NCAR)的工作。 但在2014年7月,DOE 。 目标是预测风暴和海平面上升会如何影响发电厂,水坝和其他能源基础设施,并关注北美或北极等地区。 能源部官员还希望能够在2021年左右开启的一代超大型“亿亿次级”计算机上运行这种型号。

该项目吸引了来自美国能源部八个国家实验室的研究人员。 它起初是CESM的副本,保留了类似的大气和陆地模型,但包括新的海洋,海冰,河流和土壤生物化学模拟。 DOE团队将垂直层数增加了一倍,扩大了大气层,并采用了计算密集型的数字运算方法,但可能更容易分解成块并在预期的exascale机器上并行运行。 “对他们来说,走向这个方向是很有意义的,”NCAR气候科学家理查德尼尔说。

2017年,在唐纳德特朗普总统就职并将国家拉出巴黎气候协议后,能源部从项目名称中删除了“气候”。 加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的项目负责人David Bader表示,新名称能量超级地球系统模型(E3SM)更好地反映了该模型对整个地球系统的关注。

E3SM的第一个成果突出了它的潜力; 它们包括具有超锐利的模型运行,25公里宽的网格单元 - 足够精细,可以模拟海洋漩涡和山地积雪等小规模特征。 但是这种清晰的图像仍然太粗糙,无法解决个别云和大气对流,这是限制模型精度的主要因素。 一些科学家怀疑它会改善预测。 最后一次比对工作于2014年结束,其中包括26个模型组 - 比前一轮更多 - 但却产生了不再精确的集体预测。 德国汉堡马克斯普朗克气象研究所气候科学家比约恩史蒂文斯说:“只是拥有更多的模型 - 我认为没有任何证据表明这是推动该领域发展的关键”,他是新比对的共同领导者,代号为CMIP6。

鉴于美国能源部的百亿美元计算机尚不存在,加州美国宇航局戈达德空间研究所负责人Gavin Schmidt也提出了新模型的基本原理。 他在Twitter上写道:“没有人知道这些机器的外观会是什么样的,因此很难为它们提前建造模型。” 而且,使用CESM进行研究的PNNL气候科学家Hansi Singh表示,E3SM的计算强度存在缺陷。 使用E3SM获得结果所需的大量计算将压倒大多数大学集群,限制了外部科学家使用它的能力。

Bader说,关于气候对二氧化碳(CO 2 )的敏感性的一个初步结果将“引起一些人的注意”。 大多数模型估计,如果将CO 2加倍至工业化前水平以上,则全球平均温度将在1.5°C至4.5°C之间上升。 E3SM预测5.2°C会出现惊人的高涨,Leung怀疑这是由于该模型处理气溶胶和云的方式。 和许多模型一样,E3SM在热带地区产生两条降雨带,而不是赤道附近的自然降雨带。

E3SM的首次测试将是其在CMIP6中的表现。 预计近三十个模型组,包括来自韩国,印度,巴西和南非的新人,将在现在和2020年之间的比对中提交结果。每个组将花费数千个计算机时间用于标准方案,例如模拟每年1%的二氧化碳增加和突然翻两番的影响。

但考虑到自上次比对以来的缓慢改善率,很少有人期望E3SM或任何其他模型能够产生革命性的见解。 史蒂文斯希望修改这项工作以鼓励创新,例如以1公里的分辨率对气候进行建模,以制作出单独的云,或者采集活动以收集新的数据。 “CMIP的整个前提是试图让每个人都做同样的事情,”他说。 “每个人都知道突破来自于让人们做不同的事情。”