Erdsystemmodelle – komplexe Computermodelle, die Erdprozesse und deren Wechselwirkungen beschreiben – sind für die Vorhersage zukünftiger Klimaveränderungen von entscheidender Bedeutung. Durch die Simulation der Reaktion unseres Landes, unserer Ozeane und unserer Atmosphäre auf vom Menschen verursachte Treibhausgasemissionen bilden diese Modelle die Grundlage für Vorhersagen zukünftiger extremer Wetter- und Klimaereignisszenarien, einschließlich der vom Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen der Vereinten Nationen (IPCC) herausgegebenen.
Allerdings stehen Klimamodellierer seit langem vor einem großen Problem. Da Erdsystemmodelle viele komplizierte Prozesse integrieren, können sie nicht sofort eine Simulation durchführen; Sie müssen zunächst sicherstellen, dass ein stabiles Gleichgewicht erreicht wurde, das den realen Bedingungen vor der industriellen Revolution entspricht. Ohne diese anfängliche Eingewöhnungsphase – die sogenannte „Spin-up“-Phase – kann das Modell „driften“ und Veränderungen simulieren, die fälschlicherweise auf vom Menschen verursachte Faktoren zurückgeführt werden könnten.
Leider ist dieser Prozess äußerst langsam, da das Modell viele tausend Modelljahre laufen muss, was bei IPCC-Simulationen auf einigen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt bis zu zwei Jahre dauern kann.
Allerdings eine Studie veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte von einem Wissenschaftler der Universität Oxford beschreibt einen neuen Computeralgorithmus, der auf Erdsystemmodelle angewendet werden kann, um die Spin-up-Zeit drastisch zu verkürzen.
Bei Tests an Modellen, die in IPCC-Simulationen verwendet wurden, war der Algorithmus beim Hochfahren des Modells durchschnittlich zehnmal schneller als derzeit verwendete Ansätze, wodurch sich die Zeit bis zum Erreichen des Gleichgewichts von vielen Monaten auf weniger als eine Woche verkürzte.
Studienautorin Samar Khatiwala, Professorin für Geowissenschaften am Department of Earth Sciences der Universität Oxford, die den Algorithmus entwickelt hat, sagte: „Die Minimierung der Modelldrift bei viel geringeren Zeit- und Energiekosten ist für Simulationen des Klimawandels offensichtlich von entscheidender Bedeutung, aber vielleicht ist das …“ Der größte Wert dieser Forschung könnte letztendlich für politische Entscheidungsträger liegen, die wissen müssen, wie zuverlässig Klimaprognosen sind.“
Derzeit hindert die lange Hochlaufzeit vieler IPCC-Modelle Klimaforscher daran, ihr Modell mit einer höheren Auflösung laufen zu lassen und die Unsicherheit durch die Durchführung wiederholter Simulationen zu definieren.
Durch die drastische Reduzierung der Spin-up-Zeit ermöglicht der neue Algorithmus den Forschern zu untersuchen, wie subtile Änderungen der Modellparameter die Ausgabe verändern können – was für die Definition der Unsicherheit zukünftiger Emissionsszenarien von entscheidender Bedeutung ist.
Der neue Algorithmus von Professor Khatiwala verwendet einen mathematischen Ansatz, der als Sequenzbeschleunigung bekannt ist und seine Wurzeln beim berühmten Mathematiker Euler hat.
In den 1960er Jahren wandte DG Anderson diese Idee an, um die Lösung der Schrödinger-Gleichung zu beschleunigen, die vorhersagt, wie sich Materie auf mikroskopischer Ebene verhält. Dieses Problem ist so wichtig, dass derzeit mehr als die Hälfte der weltweiten Supercomputing-Leistung für seine Lösung aufgewendet wird, und „Anderson Acceleration“, wie es heute genannt wird, ist einer der am häufigsten verwendeten Algorithmen dafür.
Professor Khatiwala erkannte, dass Anderson Acceleration möglicherweise auch in der Lage sein könnte, die Hochlaufzeit des Modells zu verkürzen, da beide Probleme iterativer Natur sind: Eine Ausgabe wird generiert und dann viele Male wieder in das Modell eingespeist. Durch die Beibehaltung vorheriger Ausgaben und deren Kombination zu einer einzigen Eingabe mithilfe des Anderson-Schemas wird die endgültige Lösung viel schneller erreicht.
Dies macht den Spin-up-Prozess nicht nur viel schneller und weniger rechenintensiv, sondern das Konzept kann auch auf die große Vielfalt verschiedener Modelle angewendet werden, die zur Untersuchung und Information der Politik zu Themen wie der Versauerung der Ozeane bis zum Verlust der biologischen Vielfalt verwendet werden.
Während Forschungsgruppen auf der ganzen Welt damit beginnen, ihre Modelle für den nächsten IPCC-Bericht im Jahr 2029 zu entwickeln, arbeitet Professor Khatiwala mit einer Reihe von ihnen, darunter dem britischen Met Office, zusammen, um seinen Ansatz und seine Software in ihren Modellen zu testen.
Professorin Helene Hewitt OBE, Co-Vorsitzende des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP)-Gremiums, das in den nächsten IPCC-Bericht einfließen wird, sagte: „Politische Entscheidungsträger verlassen sich bei Verhandlungen auf Klimaprognosen, während die Welt versucht, das Pariser Abkommen einzuhalten.“ Diese Arbeit.“ ist ein Schritt zur Verkürzung der Zeit, die für die Erstellung dieser kritischen Klimaprojektionen benötigt wird.“
Professor Colin Jones, Leiter des von NERC/Met Office gesponserten britischen Erdsystemmodells, sagte: „In Bezug auf Rechenaufwand und -zeit war die Inbetriebnahme schon immer unerschwinglich teuer. Die von Professor Khatiwala entwickelten neuen Ansätze versprechen, diesen Stillstand zu durchbrechen einen Quantensprung in der Effizienz der Erstellung solch komplexer Modelle liefern und dadurch unsere Fähigkeit, zeitnahe, belastbare Schätzungen des globalen Klimawandels zu liefern, erheblich steigern.“
Mehr Informationen:
Samar Khatiwala, Effizientes Spin-Up von Erdsystemmodellen mittels Sequenzbeschleunigung, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn2839. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn2839