EC-Earth

Jordsystemmodeller såsom EC-Earth är för närvarande det enda sättet för samhället att få information om framtidens klimat. EC-Earth genererar projektioner av de globala klimatförändringarna, vilket är en förutsättning för att  stödja utvecklingen av nationella strategier för anpassning och förändringsbegränsande åtgärder.

EC-EARTH är ett modellsystem för det globala klimatet baserat på idén att använda den världsledande väderprognosmodellen från ECMWF (European Centre of Medium Range Weather Forecast) i konfigurationen för årstidsförutsägelser som grund för klimatmodellen. Modellsystemet kan användas i ett flertal konfigurationer, däribland den klassiska klimatmodellen (atmosfär, mark, hav, havsis) och jordsystem (där atmosfärens kemi och aerosoler, havens biogeokemi, dynamisk vegetation och Grönlands istäcke tillkommer). Modellen har utvecklats av det europeiska konsortiet för EC-Earth med SMHI som central partner med utvecklingsansvar, och övriga svenska partners från universiteten i Lund, Stockholm, Göteborg och Uppsala.  Modellen i dess olika konfigurationer och upplösningar används för projektioner av klimatförändringar, prognoser och processtudier. EC-Earth 3, den nuvarande versionen, förbereds nu för 6:e fasen av jämförelseprojektet CMIP6 för klimatmodeller.

Beskrivning av modellen

Jordsystemmodellen (Earth System Model=ESM) EC-Earth beskriver det globala klimatsystemet och dess utveckling i tiden genom en kombination av sammankopplade fysikaliska och biogeokemiska processer.  Den nuvarande versionen, EC-Earth 3, baseras på:

  • ECMWF:s modell IFS för atmosfärisk cirkulation, cykel 36r4, inklusive modellen H-Tessel för landytan
  • den nuvarande versionen av oceanmodellen NEMO3.6, inklusive havsismodellen Louvain-la-Neuve (LIM3)
  • biogeokemikomponenten PISCES v2 för haven.
  • den dynamiska vegetationsmodellen LPJ-GUESS v4
  • modellen TM5 för atmosfärens kemiska sammansättning och aerosoler
  • modellen PISM 0.7 för istäcken

Modellens komponenter sammankopplas med hjälp av kopplaren Oasis-3 MCT. För en mer detaljerad sammanfattning av modellens komponenter se här.

Utveckling av modellen

Modellen EC-Earth utvecklas gemensamt av EC-Earth-konsortiet, som för närvarande leds av SMHI.  Utvecklarna är organiserade i arbetsgrupper och leds av styrgruppen. Både arbetsgrupper och styrgruppen kommunicerar med motsvarande enheter på ECMWF och NEMO-gruppen för båda sidors nytta.

Sedan EC-Earth v2.3, CMIP5-versionen, har samtliga komponenter uppgraderats och samarbetsvägarna inom det växande konsortiet har underlättats kraftigt. För att den komplexa modellen ska passa bättre för nya och fler användare har ett antal tekniska aspekter omprövats. EC-Earth 3 innehåller ett avsevärt förenklat system för konfigurering, däribland ett grafiskt användargränssnitt som möjliggör enkel och interaktiv konfigurering. Flyttbarheten av EC-Earth 3 mellan olika datorsystem har  åtgärdats och förbättrats avsevärt.

Utveckling av vetenskaplig programvara är en komplex fråga och utvecklingsprocessen har  anpassats för att följa etablerade ”best practises” för programvaruprojekt så långt det går. Samtliga utvecklingsaktiviteter hänvisas därmed nu till utvecklingsportalen för EC-Earth 3, en webbtjänst bestående av versionskontroll, ärendehistoria, dokumentation, och andra kommunikationsvägar mellan användare och utvecklare.

Fokusområden för modellutvecklingen är ett antal flexibla modellkonfigurationer, till exempel olika kombinationer av ESM-komponenter och rumsupplösningar, rimliga resultat för fristående och sammankopplade konfigurationer och full implementering av CMIP6 standarder för drivning och utdataformat. Figur 1 visar simulerad atmosfärtemperatur vid 2 m för norra halvklotets sommar.

Fininställning av modellen som en del av modellutvecklingen tillämpar ett antal begränsningar, såsom energi- och massbudgetar nära observationer, högst upp i atmosfären och vid ytan, särskilt mellan atmosfären och havet. Kända modellfel, till exempel för temperatur, nederbörd och cirkulation, minimeras.

Utvärdering av modellen

Olika modellkonfigurationer anpassas efter observerade klimatförhållanden. Den resulterande modellen används sedan för en lång körning under förindustriella förhållanden för att komma i balans (en ”spin-up”), åtföljt av en historisk simulering mellan 1850 och idag.  Klimatresultaten analyseras sedan med hjälp av standarddiagnostik som fokuserar på globala och regionala avvikelser från observationer, årstidscykler, klimatkänslighet och prognosförmåga.

Tillämpningar av EC-Earth

Efter att modellen utvärderats kommer experiment enligt CMIP6 att utföras (mer om globala klimatscenarier) . SMHI är mest intresserad av nya klimatscenarier enligt det nya ramverket för utsläppsscenarier (O’Neill m.fl. 2016, socioekonomiska utvecklingsvägar, SSP=Shared Socio-economic Pathways). Tidigare klimatscenarier har simulerats med en tidigare version av EC-Earth (Koenigk m.fl., 2013, figur 2) och olika drivdata.

Figure 2 EC-Earth

Fig 2. Projicerad årlig förändring av medeltemperatur för luften vid 2 meter, i °C med EC-Earth, mellan 2080-2099 och 1980-1999 under RCP2.6 (låga utsläpp av växthusgaser), RCP4.5 (medelhöga utsläpp) och RCP 8.5 (höga utsläpp) (Koenigk m.fl. 2013)

På senare tid har vi studerat:

  • kopplingar mellan ytvariationer i Arktis och dess samverkan med lägre breddgrader (Caian m.fl. 2016, Koenigk och Brodeau 2016, Brodeau och Koenigk 2016)

  • europeiska klimatvariationers känslighet för förändringar i Arktiska havsisen vid olika nivåer av förhöjd global yttemperatur (Wang m.fl. 2017)

  • västafrikanska och sydasiatiska monsunernas känslighet för modellens upplösning (Wang m.fl. 2016)

  • förändringar i klimatets variation och extremer vid 3 nivåer av uppvärmning (Wyser m.fl. 2017, Wang m.fl. 2017)

  • effekterna av högre upplösning på jordsystemmodeller i allmänhet och särskilt på variationer i Antarktiska oceanen (Wang m.fl. 2016, Wyser m.fl. 2017, Wyser m.fl. 2016, Wyser m.fl. 2014)

Olika konfigurationer av EC-Earth-modellerna används i svenska, nordiska, europeiska, och andra internationella projekt, såsom CRESCENDO, PRIMAVERA och IMPREX för klimatscenarier, experiment på klimatprediktion och processtudier av klimatet. Resultaten är en viktig källa till information om klimatförändringar för nationella och internationella intressenter och för klimattjänster. Globala modellsimuleringar med EC-Earth skapar dessutom randvillkor för vidare nedskalning med regionala klimatmodeller.

Referenser

Caian, M., Koenigk, T., Döscher, R., & Devasthale, A. (2017). An interannual link between Arctic sea-ice cover and the North Atlantic Oscillation. Climate Dynamics, 1-19. doi:10.1007/s00382-017-3618-9

Brodeau, L., & Koenigk, T. (2016). Extinction of the northern oceanic deep convection in an ensemble of climate model simulations of the 20th and 21st centuries. Climate Dynamics, 46(9-10), 2863-2882. doi:10.1007/s00382-015-2736-5

Koenigk, T., & Brodeau, L. (2016). Arctic climate and its interaction with lower latitudes under different levels of anthropogenic warming in a global coupled climate model. Climate Dynamics, 1-22. Clim Dyn (2016). doi:10.1007/s00382-016-3354-6

Koenigk, T., Brodeau, L., Graversen, R. G., Karlsson, J., Svensson, G., Tjernström, M., ... & Wyser, K. (2013). Arctic climate change in 21st century CMIP5 simulations with EC-Earth. Climate Dynamics, 40(11-12), 2719-2743. doi:10.1007/s00382-012-1505-y

O’Neill, B. C., C. Tebaldi, D. van Vuuren, V. Eyring, P. Friedlingstein, G. Hurtt, R. Knutti et al. "The Scenario Model Intercomparison Project (ScenarioMIP) for CMIP6, Geosci. Model Dev. Discuss., doi: 10.5194." (2016).

Wang S., C. Jones and R. Döscher (2016): Report on the sensitivity of the west African and South Asian monsoon to model resolution. Report 1.6 to the EU FP7 EMBRACE programme.

Wang, S., K. Wyser and G. Strandberg, 2017: The impact of Arctic SST/SIC changes and North Atlantic Ocean SST changes associated with high end SWLs on European climate variability. Report 3.3 to the EU FP7 HELIX programme.”

Wyser K., G. Strandberg, J. Caesar, L. Gohar (2017): Documentation of changes in climate variability and extremes simulated by the HELIX AGCMs at the 3 SWLs and comparison to changes in equivalent SST/SIC low-resolution CMIP5 projections. Report 3.1 to the EU FP7 HELIX programme.

Wyser K., M. Evaldsson and C. Jones (2016): Contribution of high resolution with improved ESMs in terms of documented metrics. Report 4.5 to the EU FP7 EMBRACE programme.

Wyser K., C. Jones and T. Königk (2014): Assessment of the benefits of increased atmospheric resolution on simulated Southern Ocean variability and ocean momentum drag. Report 2.5 to the EU FP7 EMBRACE programme