DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-18-7735-2025
تاريخ النشر: 2025-10-23
المؤلف: Hans Segura وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية وقياسات الجاذبية
نظرة عامة
نجح مشروع الجيل التالي من أنظمة نمذجة الأرض (nextGEMS) في تطوير محاكاة مناخية متعددة العقود بدقة كيلومترية للمرة الأولى، باستخدام نماذج نظام الأرض ICON وIFS-FESOM. على مدار ثلاث سنوات، ركز nextGEMS على ثلاثة أهداف رئيسية: إنشاء نماذج بدقة كيلومترية مع أخطاء بسيطة في توازن الطاقة والمياه، تحقيق معدل محاكاة يتجاوز سنة واحدة في اليوم، وتأسيس سير عمل فعالة لتحليل بيانات المحاكاة الواسعة. تم هيكلة المشروع في أربع دورات، culminating in محاكاة لمدة 30 عامًا من 2020 إلى 2049 تحت سيناريو SSP3-7.0، مع دقة شبكة أفقية تبلغ حوالي 5 كم في المحيط و10 كم في الغلاف الجوي واليابسة. تم تنفيذ المحاكاة على الحاسوب الفائق Levante، مما يدل على معدل إنتاجية يبلغ حوالي 500 يوم محاكاة في اليوم.
تشير النتائج من nextGEMS إلى تقدم كبير في أداء النموذج، لا سيما في تحقيق استجابة مناخية متسقة طاقيًا مع القوة الإشعاعية، مقارنة بالبيانات الملاحظة. أبرز المشروع سهولة ضبط خصائص السحب في كلا النموذجين، مما سمح بتحسين توازن الإشعاع في قمة الغلاف الجوي (TOA). بينما ركز ICON على السحب السطحية والمنخفضة المستوى، تناول IFS-FESOM مجموعة أوسع من أنواع السحب، مما أدى إلى ملاءمة أكثر دقة في الأخير. بشكل عام، لم يحقق nextGEMS أهدافه الطموحة في المحاكاة فحسب، بل وضع أيضًا الأساس لمبادرات البحث المناخي المستقبلية، بما في ذلك التوأم الرقمي للتكيف مع تغير المناخ ضمن مبادرة Destination Earth.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدم الكبير في نمذجة المناخ الذي تم تمكينه بواسطة الحواسيب الفائقة ذات النطاق الواسع، والتي تسهل التمثيل الصريح للعمليات بدقة كيلومترية (km-scale) في محاكاة نظام الأرض. تعزز هذه النماذج بدقة كيلومترية، التي تتميز بفواصل شبكية أفقية تبلغ 10 كم أو أقل، دقة محاكاة نقل الكتلة والطاقة، بالإضافة إلى أنماط الدوران، والتي تعتبر حاسمة لفهم تأثيرات المناخ الإقليمي وإبلاغ استراتيجيات التكيف والتخفيف. تبرز الورقة أهمية الحركات الحملية العميقة في الغلاف الجوي وتأثيرها على الدورة الهيدرولوجية العالمية، بالإضافة إلى تمثيل تباين سطح الأرض والدوامات المائية المتوسطة، مما يحسن بشكل جماعي من واقعية محاكاة المناخ.
يهدف مشروع الجيل التالي من أنظمة نمذجة الأرض (nextGEMS)، الممول من برنامج الأفق الأوروبي 2020، إلى تطوير نماذج نظام الأرض المتقدمة بدقة كيلومترية، وبالتحديد نموذج ICON غير الهيدروستاتيكي (ICOsahedral Non-hydrostatic model) ونظام التنبؤ المتكامل (IFS) المرتبط بنموذج البحر الجليدي-المحيط (FESOM). يركز المشروع على نهج تعاوني، يشرك خبراء من مجالات مختلفة لتعزيز تطوير النموذج من خلال دورات متكررة من المحاكاة والتحليل. توضح الورقة إنجازات المشروع، بما في ذلك إنتاج محاكاة مناخية متعددة العقود بدقة كيلومترية بمعدل إنتاجية تنافسية تبلغ حوالي 500 يوم محاكاة في اليوم (SDPD) وتأسيس إطار للتعاون المستمر وإمكانية الوصول إلى البيانات، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في نمذجة المناخ عالية الدقة.
نقاش
يوفر قسم النقاش في الورقة البحثية نظرة عامة على تطوير وأداء نموذجين متقدمين للمناخ: نموذج ICON غير الهيدروستاتيكي (ICOsahedral Non-hydrostatic model) ونظام التنبؤ المتكامل المرتبط بنموذج البحر الجليدي-المحيط (IFS-FESOM). يتضمن نموذج ICON معادلات غير هيدروستاتيكية وعمليات مختلفة معلمة، بما في ذلك الاضطراب، والإشعاع، وميكروفيزياء السحب، بينما يدمج أيضًا وحدة الهباء الجوي لتعزيز الكفاءة الحسابية. يستخدم نموذج IFS-FESOM، الذي تم تطويره بواسطة ECMWF، معادلات هيدروستاتيكية ويتميز بنظام شبكة متطور لكل من مكونات الغلاف الجوي والمحيط، مع تحسينات كبيرة في تمثيل العمليات الجوية وديناميات المحيط عبر دورات المحاكاة المختلفة.
تسلط الورقة الضوء على التحسينات التكرارية التي تم إجراؤها من خلال أربع دورات محاكاة، مع التركيز على الحفاظ على الطاقة والكتلة، ومعدل الإنتاجية الحسابية، وحل الأخطاء المحددة التي أدت سابقًا إلى اختلالات في الطاقة. من الجدير بالذكر أن الدورة 3 حققت محاكاة متسقة طاقيًا، بينما قامت الدورة 4 بمزيد من تحسين النماذج لتوقعات المناخ. أدى دمج شبكة HEALPix لتوحيد المخرجات وتقديم عمليات إدخال/إخراج محسّنة إلى تحسين كبير في معالجة البيانات وأداء النموذج. في النهاية، تسهل التقدمات في هذه النماذج محاكاة مناخية عالمية بدقة كيلومترية متعددة العقود، مما يمكّن من تحليلات أكثر دقة للعمليات الإقليمية وتأثيراتها في سياق تغير المناخ.
DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-18-7735-2025
Publication Date: 2025-10-23
Author(s): Hans Segura et al.
Primary Topic: Geophysics and Gravity Measurements
Overview
The Next Generation of Earth Modeling Systems (nextGEMS) project successfully developed multidecadal climate simulations with kilometer-scale resolution for the first time, utilizing the ICON and IFS-FESOM Earth system models. Over three years, nextGEMS focused on three key objectives: creating km-scale models with minimal errors in energy and water balance, achieving a simulation throughput exceeding one year per day, and establishing efficient workflows for analyzing extensive simulation data. The project was structured into four cycles, culminating in 30-year simulations from 2020 to 2049 under the SSP3-7.0 scenario, with a horizontal grid resolution of approximately 5 km in the ocean and 10 km in the atmosphere and land. The simulations were executed on the Levante supercomputer, demonstrating a throughput of about 500 simulated days per day.
The findings from nextGEMS indicate significant advancements in model performance, particularly in achieving an energetically consistent climate response to radiative forcing, comparable to observational data. The project highlighted the ease of tuning cloud properties in both models, which allowed for improved top-of-atmosphere (TOA) radiation balance. While ICON focused on shallow and low-level stratocumulus clouds, IFS-FESOM addressed a broader range of cloud types, resulting in a more accurate fit in the latter. Overall, nextGEMS not only achieved its ambitious simulation goals but also laid the groundwork for future climate research initiatives, including the Climate Change Adaptation Digital Twin within the Destination Earth initiative.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significant advancements in climate modeling enabled by exascale supercomputers, which facilitate the explicit representation of kilometer-scale (km-scale) processes in Earth system simulations. These km-scale models, characterized by horizontal grid spacings of 10 km or finer, enhance the accuracy of simulating mass and energy transfer, as well as circulation patterns, which are crucial for understanding regional climate impacts and informing adaptation and mitigation strategies. The paper highlights the importance of deep convective motions in the atmosphere and their influence on the global hydrological cycle, as well as the representation of land surface heterogeneity and oceanic mesoscale eddies, which collectively improve the realism of climate simulations.
The Next Generation of Earth Modeling Systems (nextGEMS) project, funded by the European Horizon 2020 program, aims to develop advanced km-scale Earth system models, specifically the ICOsahedral Non-hydrostatic model (ICON) and the Integrated Forecasting System (IFS) coupled with the Finite-VolumE Sea ice-Ocean Model (FESOM). The project emphasizes a collaborative approach, engaging experts across various domains to enhance model development through iterative cycles of simulation and analysis. The paper outlines the project’s achievements, including the production of multidecadal km-scale climate simulations with a competitive throughput of approximately 500 simulated days per day (SDPD) and the establishment of a framework for ongoing collaboration and data accessibility, setting the stage for future advancements in high-resolution climate modeling.
Discussion
The discussion section of the research paper provides an overview of the development and performance of two advanced climate models: the ICOsahedral Non-hydrostatic model (ICON) and the Integrated Forecasting System coupled with the Finite Element Sea Ice-Ocean Model (IFS-FESOM). The ICON model incorporates non-hydrostatic equations and various parameterized processes, including turbulence, radiation, and cloud microphysics, while also integrating an aerosol module to enhance computational efficiency. The IFS-FESOM model, developed by ECMWF, employs hydrostatic equations and features a sophisticated grid system for both atmosphere and ocean components, with significant improvements in its representation of atmospheric processes and ocean dynamics across different simulation cycles.
The paper highlights the iterative enhancements made through four simulation cycles, focusing on energy and mass conservation, computational throughput, and the resolution of identified bugs that previously led to energy imbalances. Notably, Cycle 3 achieved energetically consistent simulations, while Cycle 4 further refined the models for climate projections. The integration of the HEALPix grid for output harmonization and the introduction of optimized I/O operations significantly improved data handling and model performance. Ultimately, the advancements in these models facilitate multi-decadal, global km-scale climate simulations, enabling more accurate analyses of regional processes and their implications in the context of climate change.