Počasie a klíma sú neoddeliteľne prepojené prostredníctvom základných viacškálových procesov a ich nelineárnych interakcií. Hoci sa numerická predpoveď počasia (NWP) a klimatické predpovede/projekcie tradične vyvíjali oddelene, najmä kvôli rozdielnym priestorovým a časovým mierkam, tento obrázok sa mení. Nové možnosti vo vysokovýkonnej výpočtovej technike (HPC) umožňujú simulácie vo vysokom rozlíšení pre čoraz dlhšie integračné časy, čím sa stiera rozdiel medzi modelovaním počasia a klímy. Práve v tomto kontexte bol vyvinutý globálny až regionálny modelový systém Icosahedral Nonhydrostatic (ICON).

Vertikálna integrácia modelových konfigurácií Od roku 2020 bola spustená nová iniciatíva, ktorá sa zameriava na „vertikálnu“ integráciu NWP, klimatických predpovedí, klimatických projekcií a modelovania zloženia atmosféry v rámci rámca ICON. Cieľom je jednotné spracovanie parametrizácií podrozmerných mierok. Hoci modely ICON NWP a klimatické aplikácie doteraz zdieľali rovnaké dynamické jadro, výrazne sa líšili vo fyzikálnych parametrizáciách a v spájaní zložiek zemského systému. Unikátny dizajn ICONu uľahčuje vývoj plne integrovaného modelovacieho systému. Všetky komponenty – atmosféra, oceán, pevnina a morský ľad – používajú rovnaký typ horizontálnej siete (hoci s rôznou veľkosťou) a rovnaké usporiadanie premenných. Táto spoločná mriežka pomáha pri uzatváraní rozpočtov a znižovaní chýb interpolácie medzi rozhraniami modelových komponentov.

Kľúčové komponenty a ich integrácia Integrovaný model ICON sa skladá z ICON NWP pre atmosféru, ICON Ocean, ICON ART pre aerosóly a transport stopových prvkov a vhodných pevninských komponentov (ako JSBACH a TERRA). Aj keď sa parametrizácie fyzikálnych procesov historicky líšili medzi konfiguráciami pre počasie a klímu (napríklad rôzne schémy pre žiarenie, oblačnosť, konvekciu, alebo difúziu), prebieha snaha o konvergenciu počtu fyzikálnych parametrizácií s použitím rovnakého atmosférického modelu pre počasie a klímu.

Napríklad, v rámci pevninských modelov sa TERRA používala pre NWP, optimalizovaná na reprodukciu denného cyklu teploty a vlhkosti, zatiaľ čo JSBACH zohľadňuje procesy relevantné pre dlhšie časové mierky klímy, ako je biogeochémia a plný uhlíkový cyklus. Prebieha integrácia týchto modulov do jedného rámca pre modelovanie procesov na zemskom povrchu. Podobne, oceánska zložka ICON O (predtým vyvinutá len pre klimatické modelovanie) je teraz integrovaná do predpovedí počasia. Pre zloženie atmosféry bol vyvinutý ICON ART, ktorý sa používa na predpovede peľu a minerálneho prachu a v blízkej budúcnosti bude integrovaný aj pre klimatické časové mierky.

Predpovede klímy a projekcie budúcnosti Primárnymi aplikáciami integrovaného ICONu sú klimatické predpovede (od sezónnych až po 10-ročné predpovede) a spriahnuté predpovede atmosféry a oceánu na dennej báze. ICON má nahradiť predchádzajúci systém predpovede klímy DWD a slúži ako základ pre príspevok Nemecka do fázy 7 projektu CMIP (CMIP7).

Počiatočné výsledky sú sľubné. Napríklad, pri pre-priemyselných kontrolných experimentoch (DECK) došlo k podstatnému zníženiu tendencie zonálneho priemerného zonálneho vetra v subtropických prúdových oblastiach oboch pologúľ, z 10 m s-¹ v ICON ESM na 5 m s-¹ v ICON XPP (klimatická konfigurácia ICONu). Podobnosti v chybách zrážok medzi jednodňovými predpoveďami počasia a dlhodobými klimatickými priemermi tiež naznačujú, že rýchle a lokálne fyzikálne procesy ovplyvňujú dlhodobú priemernú klímu. Táto integrácia umožňuje lepšie pochopenie vzájomných vplyvov medzi krátkodobými poveternostnými javmi a dlhodobými klimatickými charakteristikami.

Celkovo, integrovaný modelovací prístup ICON otvára nový spoločný priestor pre základný výskum, ktorý kombinuje predpovede počasia a klimatický výskum. Hoci úplne jednotná konfigurácia pre všetky časové mierky je ambiciózna, priblíženie fyzikálnych stavov v NWP k klíme a naopak je realistickým cieľom, ktorý sľubuje zlepšenie predpovedí a rozšírenie rozsahu predpovedí počasia prostredníctvom spriahnutých konfigurácií. JaroR

Glosár kľúčových pojmov

• ICON (Icosahedral Nonhydrostatic): Globálny modelový systém vyvinutý pre aplikácie numerickej predpovede počasia (NWP), klimatických predpovedí a projekcií, ktorý zdieľa spoločné dynamické jadro.
• Numerická predpoveď počasia (NWP): Použitie matematických modelov atmosféry a oceánu na predpovedanie stavu počasia na krátke až stredné obdobia (dni až týždne), zvyčajne riešiace problém počiatočnej hodnoty.
• Klimatické predpovede: Predpovede klimatických podmienok na blízku budúcnosť (mesiace až desaťročia), ktoré môžu zahŕňať vplyv počiatočných podmienok.
• Klimatické projekcie: Simulácie budúcich klimatických podmienok na dlhšie časové škály (desaťročia až storočia), zvyčajne riešiace problém okrajovej hodnoty s ohľadom na zmeny forsujúcich faktorov.
• Vertikálna integrácia: Koncept v modelovaní ICON, kde rôzne komponenty Zemského systému (atmosféra, oceán, pevnina, morský ľad) používajú rovnaký typ horizontálnej siete a spoločné dátové štruktúry, čo minimalizuje chyby interpolácie a zefektívňuje vývoj.
• Dynamické jadro: Matematický a numerický základ modelu, ktorý popisuje pohyb tekutín (atmosféra, oceán) na rôznych škálach.
• Subgrid-škálová parametrizácia: Reprezentácia fyzikálnych procesov, ktoré sú príliš malé na to, aby boli priamo rozlíšené modelovou mriežkou (napr. oblaky, turbulencie), pomocou zjednodušených rovníc alebo štatistických vzťahov.
• HPC (High-Performance Computing): Použitie superpočítačov a paralelnej architektúry na vykonávanie zložitých výpočtov, ktoré sú nevyhnutné pre modely s vysokým rozlíšením a dlhými integračnými časmi.
• Deutscher Wetterdienst (DWD): Nemecká meteorologická služba, ktorá je partnerom v iniciatíve ICON.
• Max Planck Institute (MPI) for Meteorology: Nemecký výskumný inštitút, ktorý je partnerom v iniciatíve ICON.
• ICON NWP: Konfigurácia modelu ICON špecificky navrhnutá pre numerickú predpoveď počasia.
• ICON Ocean (ICON O): Oceánska zložka modelového systému ICON.
• ICON ART: Konfigurácia modelu ICON, ktorá zahŕňa atmosférické aerosóly a reaktívne stopové plyny.
• JSBACH: Model povrchu pevniny používaný v klimatických aplikáciách ICON, ktorý zahŕňa biogeochémiu, uhlíkový cyklus a dynamickú vegetáciu.
• TERRA: Model povrchu pevniny používaný v aplikáciách NWP ICON, optimalizovaný na reprodukciu denného cyklu teploty a vlhkosti.
• Dátová asimilácia: Proces integrácie pozorovaní do modelu s cieľom zlepšiť počiatočné podmienky pre predpovede.
• EnVar (Ensemble–Variational): Typ schémy dátovej asimilácie, ktorá kombinuje výhody ansámblu a variačných metód.
• LETKF (Localized Ensemble Transform Kalman Filter): Typ ansámblového Kalmanovho filtra používaného na dátovú asimiláciu.
• EnKF (Ensemble Kalman Filter): Typ ansámblového filtra používaného na dátovú asimiláciu, často pre oceánske pozorovania v klimatických predpovediach.
• Nudging: Metóda dátovej asimilácie, pri ktorej sa stav modelu postupne približuje k pozorovaným alebo reanalýzovaným dátam.
• CMIP (Coupled Model Intercomparison Project): Medzinárodná iniciatíva pre porovnávanie modelov, ktorá koordinuje a štandardizuje klimatické modelové experimenty.
• ICON XPP (ICON extended predictions and projections): Prototyp integrovaného modelu ICON vyvíjaný ako základ pre klimatické predpovede a projekcie.
• ERA5: Reanalýza globálneho počasia a klímy vyvinutá Európskym centrom pre strednodobé predpovede počasia (ECMWF), používaná ako referenčné dáta.
• Zonal-mean zonal wind: Priemerná rýchlosť vetra v západno-východnom smere, spriemerovaná po dĺžke.
• Equilibrium climate sensitivity (ECS): Oteplenie, ktoré by nastalo, keby sa koncentrácie CO2 v atmosfére zdvojnásobili a systém by dosiahol novú rovnováhu.
• Transient climate response (TCR): Okamžité oteplenie, ktoré by nastalo v čase zdvojnásobenia koncentrácie CO2 pri lineárnom zvýšení o 1% ročne.