Di fronte alla certezza di un clima che cambia insieme all'incertezza che rimane nelle previsioni di come cambierà, scienziati e ingegneri di tutto il paese stanno collaborando per costruire un nuovo tipo di modello climatico progettato per fornire previsioni più precise e attuabili.

Sfruttando i recenti progressi nelle scienze computazionali e dei dati, lo sforzo globale capitalizza su grandi quantità di dati che sono ora disponibili e su capacità di calcolo sempre più potenti sia per l'elaborazione dei dati che per la simulazione del sistema terrestre.

Il nuovo modello sarà costruito da un consorzio di ricercatori guidati da Caltech, in collaborazione con il MIT; la Scuola di Specializzazione Navale (NPS); e JPL, che Caltech gestisce per la NASA. Il Consorzio, soprannominata Climate Modeling Alliance (CliMA), prevede di fondere le osservazioni della Terra e le simulazioni ad alta risoluzione in un modello che rappresenti importanti caratteristiche su piccola scala, come nuvole e turbolenze, più affidabile rispetto ai modelli climatici esistenti. L'obiettivo è un modello climatico che proietti cambiamenti futuri in variabili critiche come la copertura nuvolosa, pioggia, e l'estensione del ghiaccio marino in modo più accurato, con incertezze almeno due volte inferiori rispetto ai modelli esistenti.

"Proiezioni con gli attuali modelli climatici, ad esempio, di come cambieranno caratteristiche come le precipitazioni estreme - hanno ancora grandi incertezze, e le incertezze sono scarsamente quantificate, "dice Tapio Schneider, Theodore Y. Wu, professore di scienze ambientali e ingegneria del Caltech, ricercatore senior presso JPL, e ricercatore principale di CliMA. "Per le città che pianificano la propria infrastruttura di gestione delle acque piovane per resistere alle inondazioni dei prossimi 100 anni, questo è un problema serio; risposte concrete sulla probabile gamma di risultati climatici sono fondamentali per la pianificazione".

Il consorzio opererà in modo rapido, atmosfera da start-up, e spera di avere il nuovo modello attivo e funzionante entro i prossimi cinque anni, una linea temporale aggressiva per costruire un modello climatico essenzialmente da zero.

"Un nuovo inizio ci offre l'opportunità di progettare il modello fin dall'inizio per funzionare in modo efficace su hardware di elaborazione moderno e in rapida evoluzione, e che i modelli atmosferici e oceanici siano stretti cugini l'uno dell'altro, condividendo gli stessi algoritmi numerici, "dice Franco Giraldo, professore di matematica applicata alla NPS.

L'attuale modello climatico si basa sulla suddivisione del globo in una griglia e quindi sul calcolo di ciò che sta accadendo in ciascun settore della rete, così come il modo in cui i settori interagiscono tra loro. L'accuratezza di un dato modello dipende in parte dalla risoluzione con cui il modello può vedere la terra, cioè, la dimensione dei settori della rete. Le limitazioni nella potenza di elaborazione del computer disponibile significano che tali settori generalmente non possono essere inferiori a decine di chilometri per lato. Ma per i modelli climatici, il diavolo è nei dettagli, dettagli che vengono persi in una griglia troppo grande.

Per esempio, le nuvole basse hanno un impatto significativo sul clima riflettendo la luce solare, ma i pennacchi turbolenti che li sostengono sono così piccoli che cadono attraverso le crepe dei modelli esistenti. Allo stesso modo, i cambiamenti nel ghiaccio marino artico sono stati collegati a effetti ad ampio raggio su tutto, dal clima polare alla siccità in California, ma è difficile prevedere come cambierà quel ghiaccio in futuro perché è sensibile alla densità della copertura nuvolosa sopra il ghiaccio e alla temperatura delle correnti oceaniche al di sotto, entrambi i quali non possono essere risolti dai modelli attuali.

Per catturare l'impatto su larga scala di queste caratteristiche su piccola scala, il team svilupperà simulazioni ad alta risoluzione che modellano le caratteristiche in dettaglio in regioni selezionate del globo. Tali simulazioni saranno annidate all'interno del modello climatico più ampio. L'effetto sarà un modello in grado di "zumare" su regioni selezionate, fornendo informazioni dettagliate sul clima locale su quelle aree e informando la modellazione di processi su piccola scala ovunque.

"L'oceano assorbe gran parte del calore e del carbonio che si accumulano nel sistema climatico. Tuttavia, quanto ci vuole dipende dai turbolenti vortici nell'alto oceano, che sono troppo piccoli per essere risolti in modelli climatici, "dice Raffaele Ferrari, Cecil e Ida Green Professore di Oceanografia al MIT. "Fondere simulazioni nidificate ad alta risoluzione con nuove misurazioni disponibili da, Per esempio, una flotta di migliaia di galleggianti autonomi potrebbe consentire un salto di qualità nell'accuratezza delle previsioni oceaniche".

Mentre i modelli esistenti vengono spesso testati confrontando le previsioni con le osservazioni, il nuovo modello farà un ulteriore passo avanti utilizzando strumenti di assimilazione dei dati e di apprendimento automatico per "insegnare" al modello a migliorarsi in tempo reale, sfruttando sia le osservazioni della Terra che le simulazioni nidificate ad alta risoluzione.

"Il successo delle previsioni meteorologiche computazionali dimostra la potenza dell'utilizzo dei dati per migliorare l'accuratezza dei modelli informatici; miriamo a portare gli stessi successi alla previsione del clima, "dice Andrea Stuart, Bren Professor di Caltech e Scienze Matematiche.

Ciascuna delle istituzioni partner apporta al progetto una forza e un'esperienza di ricerca differenti. Al Caltech, Schneider e Stuart si concentreranno sulla creazione degli algoritmi di assimilazione dei dati e di apprendimento automatico, oltre a modelli per nuvole, turbolenza, e altre caratteristiche atmosferiche. Al MIT, Ferrari e John Marshall, anche Cecil e Ida Green Professor of Oceanography, guiderà una squadra che modellerà l'oceano, compresa la sua circolazione su larga scala e la miscelazione turbolenta. A NPS, Giraldo guiderà lo sviluppo del nucleo computazionale del nuovo modello di atmosfera in collaborazione con Jeremy Kozdon e Lucas Wilcox. Al JPL, un gruppo di scienziati collaborerà con il team del campus di Caltech per sviluppare modelli di processo per l'atmosfera, biosfera, e criosfera.