Slik har norske klimasimuleringer bidratt til FNs klimarapport

Når de norske klimaforskerne leverer underlag til FNs klimapanelrapport, bruker de ikke hvilken som helst datamaskin til å regne på utslippsscenarier og jordas klimafølsomhet. Det norske forskningsmiljøet er helt avhengig av regnekraften til de nasjonale superdatamaskinene.

Modeller som kjører i tusenvis av år

Norske klimaforskere har bidratt med sentrale funn til den nye delrapporten fra FNs klimapanel. Rapporten ble lansert i august i år og slår én gang for alle fast at menneskeskapte klimagassutslipp primært er ansvarlig for global oppvarming. Konsentrasjonene av klimagasser øker, atmosfæren og havet blir varmere, snø- og isdekket reduseres, og det globale havnivået stiger. Rapporten sier tydelig at det haster mye mer enn først antatt å forsøke å bremse utviklingen.

Felles for mange av de norske klimaforskerne som har bidratt med underlag til rapporten, er at de benytter den norske klimamodellen NorESM i sin forskning. NorESM er en svært detaljert modell som brukes til å forstå klimasystemet og effektene av klimaendringer ved å eksperimentere med klimaet på jorda i modellen. Har vi for eksempel et mål om å begrense global oppvarming til 2 °C, så kjøres simuleringer for å studere hvor mye utslipp jorda tåler for å nå en slik målsetning. Gjennom modellutvikling og kalibrering av parametere, forsøker forskerne å få modellen til å simulere et realistisk og stabilt klima. Særlig på grunn av langsomme prosesser i havet og karbonsyklusen, må modellen simulere tusenvis av år for å finne sin egen likevekt.

- Hensikten er å skape et stabilt likevektsklima som tar utgangspunkt i en antatt nøytral sammensetning av drivhusgasser, forklarer seniorforsker Mats Bentsen ved NORCE, en av forskerne som bidrar med forskning og utvikling av NorESM. - Da har man et godt utgangspunkt for å utforske effekten av klimapåvirkninger, for eksempel endringer av drivhusgassutslipp.

Seniorforsker Mats Bentsen ved NORCE. Foto: Privat.

De eneste i Norden med egen modell

Til sammen har 30-40 modellsentre rundt om i verden levert simuleringer til klimarapporten. Klimamiljøet i Norge er de eneste i Norden med en egen klimamodell. Den norske modellen er basert på en amerikansk modell (CESM), og videreutviklet innenfor områder der Norge har særlige forskningsinteresser. Blant annet har NorESM en unik havmodell, men selv om det er et nasjonalt forskningsfokus på varmetilførsel og prosesser i nærliggende havområder er det viktig at modellen er realistisk på global skala. For eksempel må havmodellen bidra til at klimamodellen kan simulere «El Niño» (perioder med høy overflatetemperatur) og «La Niña» (perioder med lav overflatetemperatur) fenomenene som er svært viktig for klimavariasjoner over store deler av jorden.

- Men vi studerer selvsagt også Golfstrømmen, ettersom den er en vesentlig faktor for klimaet i nordområdene. Varmetilførselen til oss via Golfstrømmen er et resultat av et komplekst samspill mellom flere komponenter av klimasystemet over et stort geografisk område og modellen må få alt dette «rett» for en realistisk simulering. Heldigvis ser det ut til at Golfstrømmen vil bestå med mindre man gjøre noe fryktelig galt, forteller Bentsen.

Illustrasjon: Inne i modellen simuleres forekomster av stormer. Deretter sammenlignes simuleringene med observasjonsdata for å se hvor bra stormstatistikken er i modellen. Det sier noe om hvor realistisk modellen er. Observasjoner er vist øverst og modellavvik fra observasjoner er vist under. Modellversjonen med best romlig oppløsning (nederste figurer) viser best samsvar med observasjoner. Figuren er hentet fra Seland et al. (2020).

Atmosfæremodellen er videreutviklet med egen håndtering av aerosoler og kjemi og hvordan dette vekselvirker med skyer og stråling. Dette har gitt viktige bidrag til kunnskapsgrunnlaget for FN-rapporten. Det har vært et tett samarbeid med den amerikanske «modermodellen», som er blitt justert på bakgrunn av innsikt fra den norske modellen.

Energikrevende klimaforskning

Å kjøre simuleringer over flere tusen modellår er svært ressurskrevende. Det trengs mye mer regnekraft enn klimaforskerne har tilgang til på egne datamaskiner. I forbindelse med NorESMs simuleringer til klimarapporten, er det beregnet over 45 000 modellår i simulert klimaforløp. Med eksperimentering, testing og tilpasninger innebærer dette et forbruk på over 200 millioner CPU-timer.
Klimasimuleringene er kjørt over flere år, på de tre nasjonale superdatamaskinene som forskere i Norge kan få tilgang til. Dersom alle jobbene kun hadde blitt kjørt på Betzy – Norges kraftigste superdatamaskin – ville hele maskinen ha vært reservert i 48 dager for levere samme resultat. En vanlig PC ville ha brukt 5 700 år.

Superdatamaskiner er storforbrukere av strøm. For å produsere 200 millioner CPU-timer trengs hele 1,1 gigawattimer (GWh). Det er like mye som årsforbruket til 69 husholdninger, ifølge tall for husholdningers strømforbruk fra statistisk sentralbyrå. Med en strømpris på 75 øre per kilowattime (kWh), gir dette en prislapp på 828 000 kroner.

- Det er en viktig at vi ikke bruker mer ressurser enn strengt nødvendig. Vi har hatt en økende bevissthet rundt dette i klimaforskningsmiljøet de senere årene. Vi planlegger eksperimentene våre godt for å redusere bruken av regnekraft så mye som mulig, sier Bentsen. - For maksimal utnyttelse av simuleringene vi gjør, er data vi produserer fritt tilgjengelig og vi regner med at de vil anvendes i hundrevis av vitenskapelige artikler fra det internasjonale forskningsmiljøet.

HPC-anlegg som Betzy danner mye energi i form av overskuddsvarme når de kjører tunge beregningsjobber. Det bidrar igjen til at det trengs veldig lite energi til å tilføre Betzy kjølevann.

- Heldigvis har vi god tilgang til fornybar energi i Norge og mange metoder for å gjenbruke overskuddsenergi. Betzy, som står på NTNU i Trondheim, gjenbruker for eksempel hele 95% av overskuddsenergien. Den går til oppvarming av campus Gløshaugen, sier Helge Stranden, seniorrådgiver i Sigma2.

Miljøvennlig produksjon og gjenbruk av energien fra beregningene til nødvendig oppvarming av NTNUs campus gjør de norske nasjonale anleggene til et miljøvennlig alternativ for å skaffe til veie viktig kunnskap om hvordan vårt fremtidige klima kan utvikle seg.

Noen av de viktigste norske funnene

Tilgang til de nasjonale tungregne- og lagringsressursene, eid av Uninett Sigma2, lyses ut til fremragende forskningsmiljøer. I flere år har klimaforskningsmiljøet og NorESM vært blant de største brukerne av de nasjonale anleggene. Noen av de viktigste funnene norske forskere direkte har bidratt med til FNs klimarapport ved hjelp av NorESM-modellen er blant annet:

• Utforsking av utslippsscenarioer som forventes å unngå global oppvarming over visse terskelverdier, slik som f.eks. ved økning på 1,5°C eller 2°C over førindustrielt nivå.
  
• Skille menneskeskapt påvirkning på klima fra interne variasjoner i klimasystemet og uforutsigbar vulkansk aktivitet.
• Kvantifisere klimaeffekter av kjemi og aerosoler i atmosfæren.
• Forståelse av klimavekselvirkninger som involverer karbonsyklusen.
• Forståelse av prosesser som påvirker simulert klimafølsomhet.
• Klimavarsling opp til 10 år frem i tid med spesielt søkelys på potensial for varsling som involverer varmeinnhold og -transport i Nord-Atlanteren

NorESM har også bidratt i FNs tidligere klimarapporter. Nå satser forskerkonsortiet bak NorESM på å få videre finansiering fra 2022 og fremover, slik at modellen kan oppdateres og bli enda mer detaljert. Med stadig mer nøyaktige simuleringer kan NorESM ventes å bidra med viktige funn også til FNs 7. klimarapport, som kommer i 2028.