NEC­supercomputer verslikt zich in klimaatsimulatie

Euforie "De grote getallen waarin de rekenkracht en de onafzienbare geheugen­ en opslagcapaciteiten van de NEC moeten worden uitgedrukt, zeiden de wetenschappers aanvankelijk niet zo veel", zegt de beheerder van het Hamburgse rekencentrum Joachim Biercamp. "Pas toen er vergelijkingen werden gemaakt en de getallen betekenis kregen, gingen ze uit hun dak. Die euforie duurt nog steeds voort. Ze willen alles tegelijk. Eén van mijn belangrijkste opgaven is om ze in toom te houden en enige discipline bij te brengen. Vooral straks als alles online komt." Volkomen begrijpelijk volgens Guy Brasseur, de directeur van het Max­Planck­Institut für Meteorologie. Het grote doel op langere termijn is te komen tot een wereldomspannend model van het aardesysteem. Dit model beschrijft de natuurkundige en biochemische processen van de totale aardatmosfeer in hun onderlinge samenhangen. Het gaat daarbij om de wisselwerkingen tussen de atmosfeer, de oceanen, de continentale biosferen en de ijsmassa’s die de beide polen en de hooggebergten bedekken. De wisselwerkingen betreffen de onderlinge uitwisselingen van energie en water, maar ook van koolstoffen, stikstof en zwavel. Natte vinger De industriële uitstoot van kooldioxide en de vermeende nadelige invloed daarvan op atmosfeer en klimaat zijn hete politieke hangijzers. Dat het klimaat als gevolg van menselijke activiteiten verandert en opwarmt wordt als ‘bewezen’ verklaard. Maar de bewijzen komen voor een belangrijk deel van de natte vinger. Ze berusten op ruwe statistiek, lokale waarnemingen en vaak ook op ongefundeerde aannamen. Kortom, meer op meteorologie (korte termijn) dan op klimatologie (lange termijn) en al helemaal niet op keihard cijfermatig bewijsmateriaal. Het Max Planck Instituut wil met het project ‘System Erde’ aan deze discussie een wetenschappelijk gefundeerde bijdrage leveren. Het dynamische en voorspellende rekenmodel waaraan de wetenschappers werken, wil de aarde als het ware in een rekenkundige reageerbuis stoppen om het dan met het bekende ‘what­if?’ te ondervragen. Het bestaande model ziet de aarde en de atmosfeer als een enorme bol die is omgeven door een denkbeeldig hek­ of traliewerk. De tralies lopen horizontaal en verticaal en vormen aaneengesloten blokvormige compartimenten. Elk blok is 300 kilometer breed en diep en 1 kilometer hoog. Researchprojectleider Mojib Latif legt uit dat de computer voor elk compartiment het klimaat berekent en voor de langere termijn voorspelt. Hoe ingewikkeld en rekenintensief dat is, is voorstelbaar als beseft wordt hoe veel compartimenten in het spel zijn en dat al die compartimenten elkaar beïnvloeden: zeer sterk tussen aangrenzende compartimenten onderling en langzaam in invloed afnemend naarmate de afstanden groter worden. ‘Oplossend vermogen’ Het rasterwerk van 300x300x1 kilometer is erg grof en geeft bij gevolg een matig tot slecht ruimtelijk ‘oplossend vermogen’ voor wat betreft de nauwkeurigheid. Klimaatvoorspellingen over afstanden tussen tien en twintig jaar moesten als onrealistisch terzijde worden gelegd. De Cray90 deed er honderd etmalen over om het totale klimaat in dit grove traliewerk over een toekomst van honderd jaar te simuleren. De nieuwe supercomputer is veel sneller en laat klimaatmodellen met een hoger ruimtelijk oplossend vermogen toe. Vooral de gekoppelde oceaan/atmosfeermodellen winnen hiermee aanzienlijk aan nauwkeurigheid. Volgens Latif is dat goed nieuws. Het oude model was bijvoorbeeld zo goed als ‘blind’ voor warmwaterwervelingen in de Golfstroom die op infraroodsatellietopnamen zichtbaar zijn. In de grote compartimenten vallen ze door de mazen van het traliewerk en worden niet meegerekend. Het nieuwe model maakt het traliewerk fijnmaziger: 20 kilometer breed en diep. Maar dat betekent veel te lange rekentijden voor het totale aardse traliewerk. Daarom wordt dit fijnmaziger traliewerk vooralsnog beperkt tot de Atlantische Oceaan. "Om het helemaal goed te doen is een nòg fijnmaziger traliewerk vereist met blokken van 1 tot 2 kilometer breed en diep en dat dan voor de hele aarde. Een zó hoge horizontale resolutie is voor de NEC SX6 helaas veel te hoog gegrepen." Met het model op basis van een horizontale resolutie van 20 kilometer en beperkt tot de Atlantische Oceaan, zal de belangstelling van de klimatologen op de eerste plaats uitgaan naar de Golfstroom. De wetenschappers hebben een interessante proef op de som voor ogen. De simulatie die maanden rekentijd in beslag kan nemen, kan laten zien of de Golfstroom in de toekomst als gevolg van de toenemende gemiddelde temperatuur op het noordelijk halfrond gaat afnemen en/of een ander traject gaat volgen. Als dat het geval zou zijn dan zal daar­door het klimaat in Europa zeker een drastische wijziging ondergaan en misschien zelfs wel een nieuwe kleine ijstijd kunnen inluiden. Een hoger oplossend rekenvermogen is ook nodig om meer over de korte­ en middentermijngevolgen van El Niño te weten te komen: tropische winden hoog in de atmosfeer die het ene jaar wel en het andere jaar niet in de Stille Oceaan ontstaan. El Niño­jaren kunnen het klimaat wereldwijd beïnvloeden, bijvoorbeeld door lagedrukgebieden op weg naar Noord­Europa naar het zuiden af te buigen. Tot nu toe konden klimatologen de effecten van El Niño alleen nabeschouwen. Voor voorspellingen ontbrak het aan goede modellen en de vereiste rekencapaciteiten. Gevolgen Als de gemiddelde temperatuur toeneemt dan heeft dit gevolgen voor de biochemie van land en lucht. Aangenomen wordt dat planten bij hogere temperaturen meer gasvormige koolwaterstoffen afgeven, wat weer leidt tot verhoogde ozonontwikkeling in lagere luchtlagen. De ozon kan zich naar de hogere lagen verplaatsen en daar broeikaseffecten op gang brengen. Wat zijn de gevolgen voor het klimaat? Op deze en andere vragen met betrekking tot de biochemie zoekt het Model of Ozone and Related Tracers (Mozart) de antwoorden. Ook dit model wordt gekoppeld en in System Erde geïntegreerd. Mozart kent vijftig tot honderd chemische stoffen die onder bepaalde klimatologische omstandigheden ongeveer tweehonderd verschillende reacties op gang kunnen brengen. Voor zinvolle simulaties neemt het model genoegen met een laag oplossend vermogen van 200 kilometer horizontaal en 30 tot 250 kilometer verticaal. Met tijdintervals van tien tot dertig minuten moeten voor een simulatie over een tijdspanne van één jaar ongeveer 5 miljard chemische vergelijkingen worden berekend en in statistieken worden verwerkt. Het biochemische toekomstbeeld van de aarde wordt pas herkenbaar als het zich over vele tientallen jaren uitstrekt. "Als alle modellen gekoppeld en geïntegreerd zijn en we uit de nieuwe supercomputer alles halen wat erin zit, dan krijgen we de aarde en haar atmosfeer in de palm van onze hand", grapt onderzoeker Uwe Mikolajewicz. "Het uiteindelijke doel is om een zelfwerkzame voorspellingsmachine te krijgen die nog door slechts één externe parameter wordt aangedreven, namelijk de veranderlijke hoeveelheid zonnestraling die het aardoppervlak bereikt."