Descripcion : El incremento en los niveles de los gases de efecto invernadero puede provocar cambios en el clima. Al absorber la radiación infrarroja, estos gases controlan el flujo de energía a través del sistema climático, de forma que el clima deberá "reajustarse" para mantener el balance entre la energía que recibe procedente del sol y la energía que libera al espacio. La combustión de combustibles fósiles para generar energía la tala y el quemado de bosques producen dióxido de carbono, uno de los gases de efecto invernadero más efectivos. Otras actividades como la agricultura también provocan emisiones de metano y de óxido nitroso, dos gases de efecto invernadero.
Los modelos climáticos son programas de ordenador que calculan cual será la evolución del clima. Estos modelos estiman que la temperatura media global aumentará entre 1 °C e 3.5 °C en el año 2100 como consecuencia del incremento na concentración de los gases de efecto invernadero en la atmósfera. Este cambio sería el mayor experimentado por el sistema climático durante los últimos 10.000 años. Sin embargo, aun existen muchas incertidumbres en cuanto a la intensidad y las consecuencias que se pueden producir, especialmente a escala regional. Por ejemplo, se espera que el nivel del mar aumente entre 15 y 95 cm en el año 2100, lo que significa la inundación de numerosas tierras bajas. La distribución climática (y por lo tanto los ecosistemas y las tierras de cultivo) sufriría un desplazamiento hacia los polos de entre 150 y 550 km en las latitudes medias.
Los Modelos Climáticos:
Para conocer la evolución del clima, es necesario representar todos los sistemas que ejercen algún tipo de influencia sobre él. Entre estos componentes, la atmósfera es el principal responsable del comportamiento climático, pero no el único, ya que los océanos también juegan un papel importante (por ejemplo, es el principal responsable de que se desarrolle El Niño, un fenómeno que altera en gran medida el clima de gran parte del planeta), igual que el hielo marino o la vejetación o incluso los componentes hidrológicos como los ríos o los lagos. Todos estos sistemas deben incluírse en los modelos climáticos con el fin de poder simular correctamente todas las interacciones que se producen entre ellos del mismo modo en que se producen en el sistema climático real.
Existen numerosos modelos climáticos, pero la última versión del Community Climate Model del NCAR (National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado), el CCM-3, es uno de los más elaborados, y cuenta con el desarrollo de más de diez años.
En los modelos climáticos se representan las variables que simulan el comportamiento de los diversos componentes (como la temperatura, la presión, la precipitación, etc.) en cada punto del globo, así como su evolución temporal. Para calcular las variaciones de estas variables se utilizan las leyes de la física clásica de conservación de momento, materia y energía, además de modelos específicos para representar algunos procesos como la formación de nubes o la precipitación.
Logicamente, resulta imposible representar cada uno de los puntos de la tierra, por lo que se realiza un proceso de división en cajas o cuadrículas del volumen que se desea simular. En el modelo CCM-3 se representan 128 divisiones en la dirección longitudinal (este-oeste) y 64 divisiones en la dirección latitudinal (norte-sur), lo que representa un total de 8.192 cajas, con una separación entre ellas de aproximadamente 2.5° en longitud y en latitud. Las variables también se representan en distintas alturas dividiéndose la atmosfera en distintos niveles verticales. En CCM-3 se utilizan 18 niveles, cada uno de ellos formado por 8.192 cajas horizontales, lo que supone 147.456 cajas en total. Estas cajas contienen una media de la información necesaria para simular el clima en la parcela que ocupan. El CCM-3 utiliza 26 variables sobre cada una de estas cajas, es decir, más de 3 millones de variables para las que se deben realizar los cálculos necesarios en cada paso temporal de 20 minutos, lo que supone realizar todos los cálculos sobre estas variables más de 1 billón de veces para una simulación típica de 10 años.
Esta elevada cantidad de cálculo, motivada por el gran número de procesos que se deben simular, y por el gran número de variables (o si se prefiere, puntos), representa un doble reto: por una parte, un alto coste en tiempo de cálculo, y por otra parte un elevado coste de almacenamiento de toda esta información.
Si tenemos en cuenta que para cada variable y cada paso temporal se necesitan 288 Kbytes de simular 10 años considerando las 26 variables del modelo. Desgraciadamente esta cantidad de información resulta excesiva tanto desde el punto de vista de su procesado coma de su almacenamiento, por lo que es necesario realizar medias diarias de las variables más importantes y medias mensuales del resto de las variables. Aunque así, la cantidad de información generada por el modelo supera las centenas de Gigabytes para simulaciones de unas pocas decenas de años.
Como aplicación del modelo CCM-3, se realizaron dos experimentos para estudiar la respuesta climática a cambios provocados por las actividades del hombre. El primeiro de los estudios analiza las consecuencias del aumento en las concentraciones de dióxido de carbono en la atmosfera. En el segundo estudio se analizó la respuesta a la deforestación amazónica.
En ambos experimentos se utilizaron características similares para las ejecuciones con el modelo CCM3. Se utilizó una elevada resolución (T42), suficiente para poder realizar estudios de análisis climático a escala continental, lo que permite establecer intervalos de confianza estatística suficientemente concluyentes.
ESTUDIO DEL CLIMA EN EL CESGA (Técnicas de supercomputación)
Debido a las necesidades de cálculo y almacenamiento que acabamos de describir, es necesario un estudio detallado de las condiciones sobre las que se van a realizar las simulaciones. Teniendo en cuenta las características propias del equipamiento del CESGA, se decidió utilizar una configuración en la que las simulaciones con el modelo climático CCM-3 se realizan en el ordenador vectorial paralelo VPP-300, y el ordenador paralelo AP3000 se utiliza para realizar el procesamiento y facilitar el almacenamiento y acceso de los datos de las simulaciones.
Cada experimento con el CCM-3 necesita algo más de un día de cálculo en el ordenador vectorial del CESGA VPP-300 por cada año de simulación (en un PC sería necesario más de un mes por año). Para cada uno de los experimentos se realizaron simulaciones de 35 años de duración (lo que supuso más de 5 meses de cálculo).
Para analizar los resultados del modelo disponemos en el CESGA de más de 150 Gbytes almacenados en cintas de gran capacidad DLT con los datos necesarios para poder realizar los estudios estatísticos necesarios para estudiar los cambios en el clima. La utilización del robot de discos magneto-ópticos resulta idónea para estos análisis, ya que permite manejar cantidades de información que no podrían almacenarse en disco duro por sus dimensiones y con un tiempo de acceso a los datos muy similar al de éstos. Además, la utilización del ordenador paralelo permite realizar las operaciones necesarias sobre un gran volumen de datos en un tiempo razonable.
Por último, en el laboratorio de visualización del CESGA se representa la estructura tridimensional de la atmosfera mediante mapas y gráficas, y se preparan animaciones de la evolución del clima mostrando los cambios que se pueden producir en los próximos años.
La utilización de toda esta infraestructura se muestra esquematizada en la figura 1.
Resultados:
Como muestra de algunos de los resultados obtenidos a partir de los experimentos, en las figuras 2 e 3 se recojen las variaciones de la precipitación y la temperatura como consecuencia de los cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero (figura 2) y de la deforestación del Amazonas (figura 3) simulados por el modelo CCM-3 para el continente europeo durante los meses de invierno.
Para el experimento con gases de efecto invernadero (figura 2), en la Península Ibérica aumenta la precipitación sobre las regiones del noroeste, mientras que en las regiones del Mediterráneo disminuyen las precipitaciones. Las temperaturas aumentan en todo el continente, pero especialmente en la Península Ibérica y en el sur de Francia.
En el experimento de deforestación amazónica (figura 3), las precipitaciones aumentan especialmente sobre el Reino Unido y disminuyen en el norte y el sur del continente. Las temperaturas por su parte aumentan en la mitad sur del continente, especialmente en el extremo oriental, y disminuyen ligeramente en la Península Escandinava.
La disponibilidad del banco de datos generado mediante las simulaciones realizadas, y la posibilidad de realizar otras nuevas, favorece la proyección de nuevos estudios que completen las conclusiones obtenidas en éste, y permiten alcanzar otras nuevas. En este sentido, el CCM3 demostró ser un modelo climático robusto y relativamente fiable, capaz de proporcionar soluciones ajustadas a los escenarios que se propongan.
Aplicaciones (Aplicaciones Futuras):
Los modelos climáticos permiten realizar estudios globales sobre las consecuencias de las emisiones de dióxido de carbono o de la deforestación de grandes áreas, además de ofrecer información sobre la respuesta de las distintas áreas del globo a estas modificaciones en el sistema climático. Sin embargo, debido a la baja resolución de los modelos, no resulta posible precisar cuales serán las consecuencias a escala regional o nacional. Para eso, es necesario "acoplar" modelos de mayor resolución que utilizan los resultados de los modelos climáticos para realizar simulaciones sobre regiones concretas y así poder discernir por ejemplo cuales serán las partes de España que sufrirán con mayor intensidad el calentamiento global o las variaciones en los regimenes de precipitación.
Otra de las aplicaciones de los modelos climáticos, en conjunción con los modelos de mayor escala, es la simulación meteorológica a largo plazo, realizando predicciones sobre el comportamento del clima a escala mensual o estacional (por ejemplo para predecir si un mes va a ser más lluvioso de lo normal o si se va a producir un período de sequía prolongada).
Otras aplicaciones incluyen la predicción y simulación de fenómenos como El Niño (sus consecuencias y comportamientos puideron ser previstos gracias a la utilización de modelos climáticos) o la intensidad de los monzones, causantes ambos de graves desastres humanos y materiales.
Tiempo de supercomputación:
Aproximadamente 3500 horas de CPU en el VPP.
Figura 1. Esquema de la configuración utilizada para realizar las simulaciones climáticas en el CCM-3 en el CESGA.
Figura 2. Cambios en la precipitación (l/m2 diarios) y en la temperatura estimados por el modelo CCM-3 para invierno como consecuencia del incremento de los gases de efecto invernadero. En la Península Ibérica aumenta la precipitación sobre las regiones del noroeste, mientras que en las regiones del Mediterráneo disminuyen las precipitaciones. Las temperaturas aumentan en todo el continente, pero especialmente en la Península Ibérica y en el sur de Francia.
Figura 3. Cambios en la precipitación (l/m2 diarios) e na temperatura estimados por el modelo CCM-3 para el invierno como consecuencia de la deforestación del Amazonas. Las precipitaciones aumentan especialmente sobre el Reino Unido y diminuyen en el norte y el sur del continente. Las temperaturas por su parte aumentan en la mitad sur del continente, especialmente en el extremo oriental, y diminuyen ligeramente en la Península Escandinava.
Publicaciones:
- 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 su 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, mayo-junio 1998, para su 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, septiembre 1998. (enviado).
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