Descrición : O incremento nos niveis dos gases de efecto invernadoiro pode provocar cambios no clima. Ao absorber a radiación infravermella, estes gases controlan o fluxo de enerxía a través do sistema climático, de forma que o clima deberá "reaxustarse" para manter o balance entre a enerxía que recibe procedente do sol e a enerxía que libera ao espazo. A combustión de combustibles fósiles para xerar enerxía e a corta e queima de bosques producen dióxido de carbono, un dos gases de efecto invernadoiro máis efectivos. Outras actividades como a agricultura tamén provocan emisións de metano e de óxido nitroso, dous gases de efecto invernadoiro.
Os modelos climáticos son programas de ordenador que calculan cal será a evolución do clima. Estes modelos estiman que a temperatura media global aumentará entre 1 °C e 3.5 °C no ano 2100 como consecuencia do incremento na concentración dos gases de efecto invernadoiro na atmosfera. Este cambio sería o maior experimentado polo sistema climático durante os últimos 10.000 anos. Non obstante, aínda existen moitas incertezas en canto á intensidade e as consecuencias que se poden producir, especialmente a escala rexional. Por exemplo, espérase que o nivel do mar aumente entre 15 e 95 cm no ano 2100, o que significa a inundación de numerosas terras baixas. A distribución climática (e polo tanto os ecosistemas e as terras de cultivo) sufriría un desprazamento cara aos polos de entre 150 e 550 km nas latitudes medias.
Os Modelos Climáticos:
Para coñecer a evolución do clima, é necesario representar tódolos sistemas que exercen algún tipo de influencia sobre el. Entre estes compoñentes, a atmosfera é o principal responsable do comportamento climático, pero non o único, xa que os océanos tamén xogan un papel importante (por exemplo, é o principal responsable de que se desenvolva El Niño, un fenómeno que altera en gran medida o clima de gran parte do planeta), igual có xeo mariño ou a vexetación ou incluso os compoñentes hidrolóxicos como os ríos ou os lagos. Todos estes sistemas deben incluírense nos modelos climáticos co fin de poder simular correctamente todas as interaccións que se producen entre eles do mesmo modo en que se producen no sistema climático real.
Existen numerosos modelos climáticos, pero a última versión do Community Climate Model do NCAR (National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado), o CCM-3, é un dos máis elaborados, e conta cun desenvolvemento de máis de dez anos.
Nos modelos climáticos represéntanse as variables que simulan o comportamento dos diversos compoñentes (como a temperatura, a presión, a precipitación, etc.) en cada punto do globo, así como a súa evolución temporal. Para calcular as variacións destas variables utilízanse as leis da física clásica de conservación de momento, materia e enerxía, ademais de modelos específicos para representar algúns procesos como a formación de nubes ou a precipitación.
Loxicamente, resulta imposible representar cada un dos puntos da terra, polo que se realiza un proceso de división en caixas ou cuadrículas do volume que se desexa simular. No modelo CCM-3 represéntanse 128 divisións na dirección lonxitudinal (leste-oeste) e 64 divisións na dirección latitudinal (norte-sur), o que representa un total de 8.192 caixas, cunha separación entre elas de aproximadamente 2.5° en lonxitude e en latitude. As variables tamén se representan en distintas alturas dividíndose a atmosfera en distintos niveis verticais. No CCM-3 utilízanse 18 niveis, cada un deles formado por 8.192 caixas horizontais, o que supón 147.456 caixas en total. Estas caixas conteñen unha media da información necesaria para simular o clima na parcela que ocupan. O CCM-3 utiliza 26 variables sobre cada unha destas caixas, é dicir, máis de 3 millóns de variables para as que se deben realizar os cálculos necesarios en cada paso temporal de 20 minutos, o que supón realizar todos os cálculos sobre estas variables máis de 1 billón de veces para unha simulación típica de 10 anos.
Esta elevada cantidade de cálculo, motivada polo gran número de procesos que se deben simular, e polo gran número de variables (ou se se prefire, puntos), representa un dobre reto: por unha parte, un alto custo en tempo de cálculo, e por outra parte un elevado custo de almacenamento de toda esta información.
Se temos en conta que para cada variable e cada paso temporal se necesitan 288 Kbytes de simular 10 anos considerando as 26 variables do modelo. Desgraciadamente esta cantidade de información resulta excesiva tanto desde o punto de vista do seu procesado coma do seu almacenamento, polo que é necesario realizar medias diarias das variables máis importantes e medias mensuais do resto das variables. Aínda así, a cantidade de información xerada polo modelo supera as centenas de Xigabytes para simulacións dunhas poucas decenas de anos.
Como aplicación do modelo CCM-3, realizáronse dous experimentos para estudiar a resposta climática a cambios provocados polas actividades do home. O primeiro dos estudos analiza as consecuencias do aumento nas concentracións de dióxido de carbono na atmosfera. No segundo estudo analizouse a resposta á deforestación amazónica.
En ámbolos dous experimentos utilizáronse características similares para as execucións co modelo CCM3. Utilizouse unha elevada resolución (T42), suficiente para poder realizar estudos de análise climática a escala continental, o que permite establecer intervalos de confianza estatística suficientemente concluíntes.
ESTUDO DO CLIMA NO CESGA (Técnicas de supercomputación)
Debido ás necesidades de cálculo e almacenamento que acabamos de describir, é necesario un estudo detallado das condicións sobre as que se van realizar as simulacións. Tendo en conta as características propias do equipamento do CESGA, decidiuse utilizar unha configuración na que as simulacións co modelo climático CCM-3 se realizan no ordenador vectorial paralelo VPP-300, e o ordenador paralelo AP3000 emprégase para realizar o procesamento e facilitar o almacenamento e acceso dos datos das simulacións.
Cada experimento co CCM-3 necesita algo máis de un día de cálculo no ordenador vectorial do CESGA VPP-300 por cada ano de simulación (nun PC sería necesario máis de un mes por ano). Para cada un dos experimentos realizáronse simulacións de 35 anos de duración (o que supuxo máis de 5 meses de cálculo).
Para analizar os resultados do modelo dispoñemos no CESGA de máis de 150 Gbytes almacenados en cintas de gran capacidade DLT cos datos necesarios para poder realizar os estudos estatísticos necesarios para estudar os cambios no clima. A utilización do robot de discos magneto-ópticos resulta idónea para estas análises, xa que permite manexar cantidades de información que non poderían almacenarse en disco duro polas súas dimensións e cun tempo de acceso aos datos moi similar ao destes. Ademais, a utilización do ordenador paralelo permite realizar as operacións necesarias sobre un gran volume de datos nun tempo razoable.
Por último, no laboratorio de visualización do CESGA represéntase a estrutura tridimensional da atmosfera mediante mapas e gráficas, e prepáranse animacións da evolución do clima mostrando os cambios que se poden producir nos próximos anos.
A utilización de toda esta infraestrutura móstrase esquematizada na figura 1.
Resultados:
Como mostra dalgúns dos resultados obtidos a partir dos experimentos, nas figuras 2 e 3 recóllense as variacións da precipitación e a temperatura como consecuencia dos cambios nas concentracións de gases de efecto invernadoiro (figura 2) e da deforestación do Amazonas (figura 3) simulados polo modelo CCM-3 para o continente europeo durante os meses de inverno.
Para o experimento cos gases de efecto invernadoiro (figura 2), na Península Ibérica aumenta a precipitación sobre as rexións do noroeste, mentres que nas rexións do Mediterráneo diminúen as precipitacións. As temperaturas aumentan en todo o continente, pero especialmente na Península Ibérica e no sur de Francia.
No experimento de deforestación amazónica (figura 3), as precipitacións aumentan especialmente sobre o Reino Unido e diminúen no norte e no sur do continente. As temperaturas pola súa parte aumentan na metade sur do continente, especialmente no extremo oriental, e diminúen lixeiramente na Península Escandinava.
A dispoñibilidade do banco de datos xerado mediante as simulacións realizadas, e a posibilidade de realizar outras novas, favorece a proxeción de novos estudos que completen as conclusións obtidas neste, e permiten alcanzar outras novas. Neste sentido, o CCM3 demostrou ser un modelo climático robusto e relativamente fiable, capaz de proporcionar solucións axustadas aos escenarios que se propoñan.
Aplicacións (Aplicacións Futuras):
Os modelos climáticos permiten realizar estudos globais sobre as consecuencias das emisións de dióxido de carbono ou da deforestación de grandes áreas, ademais de ofrecer información sobre a resposta das distintas áreas do globo a estas modificacións no sistema climático. Non obstante, debido á baixa resolución dos modelos, non resulta posible precisar cáles serán as consecuencias a escala rexional ou nacional. Para iso, é necesario "acoplar" modelos de maior resolución que utilizan os resultados dos modelos climáticos para realizar simulacións sobre rexións concretas e así poder discernir por exemplo cales serán as partes de España que sufrirán con maior intensidade o quentamento global ou as variacións nos réximes de precipitación.
Outra das aplicacións dos modelos climáticos, en conxunción cos modelos de maior escala, é a simulación meteorolóxica a longo prazo, realizando predicións sobre o comportamento do clima a escala mensual ou estacional (por exemplo para predicir se un mes vai ser máis chuvioso do normal ou se se vai producir un período de seca prolongada).
Outras aplicacións inclúen a predición e simulación de fenómenos como El Niño (as súas consecuencias e comportamentos puideron ser previstos grazas á utilización de modelos climáticos) ou a intensidade dos monzóns, causantes ambos de graves desastres humanos e materiais.
Tempo de supercomputación:
Aproximadamente 3500 horas de CPU no VPP.
Figura 1. Esquema da configuración utilizada para realizar as simulacións climáticas no CCM-3 no CESGA.
Figura 2. Cambios na precipitación (l/m2 diarios) e na temperatura estimados polo modelo CCM-3 para inverno como consecuencia do incremento dos gases de efecto invernadoiro. Na Península Ibérica aumenta a precipitación sobre as rexións do noroeste, mentres que nas rexións do Mediterráneo diminúen as precipitacións. As temperaturas aumentan en todo o continente, pero especialmente na Península Ibérica e no sur de Francia.
Figura 3. Cambios na precipitación (l/m2 diarios) e na temperatura estimados polo modelo CCM-3 para o inverno como consecuencia da deforestación do Amazonas. As precipitacións aumentan especialmente sobre o Reino Unido e diminúen no norte e no sur do continente. As temperaturas pola súa parte aumentan na metade sur do continente, especialmente no extremo oriental, e diminúen lixeiramente na Península Escandinava.
Publicacións:
- C. Fernández Sánchez. «Simulación Climática e Quentamento do Planeta». Dixitos, outubro 1998, pp. 4-5.
- Fernández, C., J.A. Souto, J.J. Casares
«Aplicación de técnicas de diferenciación automática al análisis de sensibilidad de un modelo climático de circulación general». Presentado en la Reunión Científica Hispano-Cubana para Análisis de la Variabilidad y Predicciones Climáticas, Salamanca, 26-28 novembro 1997, para a súa publicación.
- Agusti, A., R. Cardoso, C. Durman, C. Fernández, K. Krueger, O. Makarynskyy, B. di Martino, T. Ozsoy, E. Schuepbach, J. Zubillaga. «How is the NAO and the European climate affected by a southward extension of the northern hemisphere sea ice in winter?». Elaborado en el NATO ASI on Numerical Modelling of the Global Atmosphere, Como, Italia, maio-xuño 1998, para a súa publicación.
- Fernández, C., J.A. Souto, J.J. Casares, J.A. Fortes. «A postprocessing tool for uncertainty analysis of global circulation models». Advances in Computational Engineering Science, Atluri, S.N., Yagawa, G. (eds.). TechScience Press, Forsyth, Georgia, 1997, pp. 731-736.
- Borrego, C., A. Miranda, A. Carvalho, C. Fernández, J. Souto. «Impact of doubling CO2 concentration scenario in the air quality over Lisbon airshed: A contribution to subproject GLOREAM». Programa EUREKA Environmental Project EUROTRAC2. (enviado)
- Borrego, C., A.I. Miranda, A.C. Carvalho, J.A. Souto, C. Fernández Sánchez. «Impact of a doubling CO2 concentration scenario in the air quality over Lisbon airshed». II Workshop Project EUROTRAC2 GLOREAM, Madrid, setembro 1998. (enviado).
|
cesga.es
:: Telf.: +34 981 569810 - Fax: 981 594616 ::
Avda. de Vigo s/n 15705, Santiago de Compostela.