Суперкомпьютерное моделирование сложных взаимодействий, влияющих на изменение климата в арктических прибрежных регионах

Арктические прибрежные регионы Земли, которые быстро меняются, оказывают непропорционально большое влияние на климат, отзывающееся по всему миру. Отслеживание процессов, стоящих за этой эволюцией, является сложной задачей даже для лучших ученых.

Арктические прибрежные системы очень хрупки, — говорит Эндрю Робертс из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (LANL). До последних нескольких десятилетий толстый многолетний арктический морской лед, по-видимому, был в целом стабилен. Теперь повышение температур вызывает его таяние. В 1980-х годах многолетний лед возрастом не менее четырех лет составлял более 30% арктического покрова; сегодня эта доля сократилась до немногим более 1%. Это обнажает прибрежные регионы для разрушительных волн, которые могут разрушать лед и размывать береговую вечную мерзлоту.

Исследователи показали, что площадь сентябрьского арктического морского льда сокращается примерно на 13% за десятилетие, поскольку Арктика нагревается более чем в два раза быстрее, чем остальная часть планеты — явление, которое ученые называют «арктическим усилением». Изменения в таянии морского и наземного льда Арктики могут нарушить так называемую глобальную океанскую конвейерную ленту, которая циркулирует воду вокруг планеты и помогает стабилизировать климат. Арктика сейчас застряла в изнурительной петле обратной связи: морской лед может отражать 80% и более солнечного света обратно в космос, но его неуклонное сокращение приводит к тому, что летом его место занимают все более обширные области темного открытого океана, поглощающие более 90% полуденного солнечного света, что ведет к дальнейшему потеплению.

Общий исследовательский проект — Interdisciplinary Research for Arctic Coastal Environments (InteRFACE), спонсируемый Управлением биологических и экологических исследований (BER) Министерства энергетики США (DOE) и возглавляемый Джоэлом Роулендом (также из LANL), является межведомственным сотрудничеством. Робертс курировал вычислительные аспекты проекта DOE, которые в 2020 году использовали 650 000 узло-часов суперкомпьютерного времени в Национальном научно-исследовательском вычислительном центре энергетики (NERSC) в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Исследователи использовали и способствовали развитию сложного инструмента, поддерживаемого DOE, — Energy Exascale Earth System Model (E3SM), который позволяет с высоким разрешением моделировать атмосферу, океан, сушу и морской лед, фокусируя вычислительную мощность на небольших регионах большого интереса.

«Один из больших вопросов — когда таяние морского льда сделает Северный Ледовитый океан судоходным круглый год», — говорит Робертс. Хотя правительственные и коммерческие суда — даже круизные лайнеры — могли проходить через Северо-Западный проход в Канадском архипелаге в последние летние сезоны, к 2030 году этот регион может стать регулярно судоходным в течение многих месяцев в году, если таяние морского льда продолжится такими же темпами. Развитие E3SM поможет исследователям лучше понять, насколько Северо-Западный проход судоходен, по сравнению с традиционными прямоугольными сетками, используемыми во многих климатических моделях более низкого разрешения.