Egyszerű, hatékony földrendszer-modellezés

Az élelmiszerek, víz, energia és más kritikus természeti erőforrások hosszú távú kockázatának felmérése érdekében a döntéshozók gyakran a földrendszer modelleire támaszkodnak, amelyek képesek megbízható előrejelzéseket készíteni a regionális és globális környezeti változásokról évtizedekig. Az ilyen modellek kulcseleme a légköri kémia ábrázolása. A legmodernebb komplex kémiai mechanizmusokat alkalmazó légköri szimulációk a légköri kémia legpontosabb szimulációját ígérik. Sajnos méretük, bonyolultságuk és számítási igényük miatt az ilyen szimulációk rövid időre korlátozódtak ...
Vera G. Atwood 2019. január 22
https://reputec.com/wp-content/uploads/2019/01/Simple-effective-Earth-system-modeling.jpg

Az élelmiszerek, víz, energia és más kritikus természeti erőforrások hosszú távú kockázatának felmérése érdekében a döntéshozók gyakran a földrendszer modelleire támaszkodnak, amelyek képesek megbízható előrejelzéseket készíteni a regionális és globális környezeti változásokról évtizedekig.

Az ilyen modellek kulcseleme a légköri kémia ábrázolása. A legmodernebb komplex kémiai mechanizmusokat alkalmazó légköri szimulációk a légköri kémia legpontosabb szimulációját ígérik. Sajnos méretük, bonyolultságuk és számítási követelményeik megkíséreltek korlátozni az ilyen szimulációkat rövid időszakokra és kis számú forgatókönyvre a bizonytalanság figyelembevétele érdekében.

A kutatók egy csoportja, amelyet az MIT a globális változás tudománya és politikája közös programja vezet, kidolgozott egy stratégiát az egyszerűsített kémiai mechanizmusok beépítésére a légköri szimulációkba, amelyek megfelelnek az összetettebb mechanizmusok által a legtöbb régióban és időszakban elért eredményeknek. Ha háromdimenziós földrendszer-modellben valósítják meg, az új modellezési stratégia lehetővé tenné a tudósok és a döntéshozók számára, hogy olcsó, gyors légköri kémiai szimulációkat végezzenek, amelyek hosszú időtartamra fedik le a forgatókönyvek széles skáláját. Ez az új képesség javíthatja a tudósok légköri kémiai ismereteit, és hatékony döntéshozó eszközt biztosíthat a döntéshozók számára.

Egy új tanulmányban, amely megjelenik az Európai Földtudományok Uniójának folyóiratában Földtudományos modell kidolgozása, A kutatócsoport három, 25 éves, a troposzféra ózonkémiai szimulációját készítette a széles körben alkalmazott CESM CAM-chem modellezési keretrendszerben, különféle bonyolultságú kémiai mechanizmusok felhasználásával, és eredményeit összehasonlította a megfigyelésekkel. Megvizsgálták azokat a feltételeket, amelyek között ezek az egyszerűsített mechanizmusok illeszkedtek a legbonyolultabb mechanizmus kimenetéhez, valamint amikor eltértek. A kutatók kimutatták, hogy a legtöbb régióban és az időszakokban a szimulált ózonkémiai különbségek e három mechanizmus között kisebbek, mint maguk a modellek megfigyelési különbségei. Hasonló eredményeket találtak a szén-monoxid és a dinitrogén-oxid szimulációjára.

"A legegyszerűbb mechanizmus, amelyet teszteltünk, a Super-Fast nevű, háromszor gyorsabban futott, mint a legbonyolultabb (MOZART-4), ugyanakkor nagyjából ugyanazt az eredményt hozta" - mondja Benjamin Brown-Steiner, a tanulmány vezető szerzője és a korábbi postdokumentum. a MIT Közös Programjában és a Föld, Légköri és Bolygótudományi Tanszéknél (EAPS). „Ez a hatékonysági szint például lehetővé tenné a tudósok számára, hogy a 21. század folyamán tanulmányozzák a légköri kémiát, az egyszerűsített modell 100 éven át futtatásával, és pontosságának ellenőrzésével a komplex modell elején, közepén és század vége. ”

Brown-Steiner és munkatársai azt is megvizsgálták, hogy a különféle bonyolultságú kémiai mechanizmusok egyidejű felhasználása hogyan javíthatja a légköri kémia megértését különböző skálákban. Megállapították, hogy a tudósok korszerűsíthetik a légköri kémiai vizsgálatokat olyan szimulációk kidolgozásával, amelyek összetett és egyszerűsített kémiai mechanizmusokat is tartalmaznak. Az ilyen szimulációkban a komplex mechanizmusok a komplex légköri kémiának teljesebb ábrázolását biztosítanák, az egyszerű mechanizmusok pedig hatékonyan szimulálnák a hosszabb időszakokat, hogy jobban megértsék a meteorológiai variabilitás és az egyéb bizonytalanság forrásainak szerepét.

„Megjegyezve, hogy az egyszerű és összetett mechanizmusok által előállított eredmények eltérnek-e bizonyos régiókban, évszakokban vagy időszakokban, meghatározhatja, hogy a szimulációk hol és mikor igényelnek összetettebb kémiát, és szükség szerint megnövelheti a modellezés összetettségét” - mondja Brown-Steiner.

Ez egy modellező stratégia, amely ígéretesen javítja mind a tudósok megértését a Föld légköréről, mind a döntéshozók képességét a környezetvédelmi politikák felmérésére - mondják a kutatók.

„Vizsgálatunk azt mutatja, hogy a bonyolultabb modellek nem mindig hasznosabbak a döntéshozatalban” - mondja Noelle Selin, a tanulmány társszerzője, az MIT Adat-, Rendszer- és Társadalmi Intézetének és az EAPS-nek a társprogramja, valamint a Közös Program kari társult tagja . "A kutatóknak kritikusan kell gondolkodniuk azon, hogy az ilyen egyszerű és hatékony megközelítések ugyanolyan informatívak lehetnek-e alacsonyabb költségek mellett."

Végül, a tanulmány egyszerűsített légköri kémiai mechanizmusok beépítéséhez vezethet a Föld-rendszer háromdimenziós modellezési keretébe. Ez a képesség elősegítené a tudósok és a döntéshozók számára, hogy hosszú távú nagy csoportot működtessenek (amely több forgatókönyvet fed le a kulcsfontosságú modellezési paraméterek bizonytalanságának ábrázolására) a Föld légkörének 3D-s szimulációi ésszerű időn belül .

"Jelenleg az ózon, a szulfát-aeroszolok és a Föld rendszerben a sugárzó erő befolyásoló tényezőinek képviselői kétdimenziós modellek, amelyek nem biztosítják a kívánt pontosságot" - mondta Ronald Prinn, az EAPS professzora és a Közös Program társigazgatója, aki a tanulmány társszerzője.

"Ebből a célból ezeket háromdimenziós modellekben szeretnénk képviselni és együtteseket [többféle forgatókönyvet] futtatni, de ha egy teljes 3D-s kémiai csomagot beteszünk, a számítógépes idő megfizethetetlenné válik" - teszi hozzá Prinn. "Ez a tanulmány azt mutatja, hogy a sugárzásos kényszerítő számításokhoz a gyors kémiai csomag beépítése a modellező rendszerbe hiteles megállapodást eredményezhet az egyszerű és összetett kémiai mechanizmusok és megfigyelések között."