Superdatorer spårar växthuseffekten

(Denna artikel publicerades i Datornytt sommaren 1990)
Syukuro Manabe

Klimatologen Syukuro Manabe är inte stor i maten, men hans aptit för data vet knappast några gränser. Då hjälper det att ha tillgång till en Cray Y-MP8/832. Men ska denna superdator för 130 miljoner kr kunna radera ut osäkerheten om växthuseffekten?

Mänskligheten har sedan 1800-talet pumpat ut alltmer koldioxid, metangaser och klorväten i atmosfären, med följd att värme som annars skulle försvinna ut i rymden "låses inne". Detta är den s k växthuseffekten, som enligt många forskare kan komma att föröda klimatet på Jorden.

Det råder en het debatt om växthuseffekten och ett snabbt växande politiskt intresse. Är den en realitet och hur snabbt går isåfall uppvärmningen? Forskarna litar alltmer till superdatorer för att besvara sådana frågor.
-Jag kan inte föreställa mig den moderna vetenskapen om atmosfären och klimatläran utan datorer, säger doktor Syukuro Manabe när jag träffar honom i Princeton i slutet på maj.

Han har jobbat med avancerade datormodeller för klimatstudier i ett drygt kvartssekel. 1966 lyckades han tillsammans med Richard T. Wetherald hjälp av datorsimuleringar, visa att Jordens medeltemperatur skulle öka med 4 grader Fahrenheit om halten CO2 (koldioxid) i jordatmosfären fördubblades (jämfört med tiden före industrialiseringen).


Richard T. Wetherald

Manabe är idag chef för forskningen kring växthuseffekten vid Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL, det geofysiska laboratoriet för flödesdynamik) i Princeton, New Jersey. Det är ett av USAs främsta klimatologiska forskningscentra och tillhör National Oceanic and Atmospheric Administration, som lyder under USAs handelsdepartement.

GFDL är inte lika stort som National Center for Atmospheric Research (NCAR) i Boulder, Kolorado, men litenhet är inte alltid en nackdel.
-Jag hade över hundra timmar superdatortid förra månaden, säger Ronald J. Stouffer.
Han är en av en handfull forskare i Manabes grupp. De har sedan mitten på maj haft privilegiet att, via sina Sun-stationer, få arbeta mot en av Crays största datorer. För tillfället har de all datorkraft de kan önska sig. Om det är något de önskar sig så är det mer kapacitet att lagra data och bättre redskap för att analysera dem.
-Det ska bli bättre med den saken, försäkrar Lou Umscheid, som är GFDLs systemansvarig. Just nu har man faktiskt en grafisk arbetstation från Silicon Graphics inne för demonstration.
-Vi inser att vi behöver dagens mest avancerade tekniker för analys av de mängder av data som kommer ut från superdatorn, säger han. Problemet är att vi inte har programvara för våra speciella applikationer. Det är en hel del anpassningsarbete som måste göras.
-Det kommer att ta tid innan vi har tredimensionell grafik, färg och så vidare, men vi kan fortfarande göra väldigt mycket med Sun-stationerna, säger Umscheid.

Själv har Syukuro Manabe paradoxalt nog ganska lite direktkontakt med datorer. Han är ensam om att inte ha någon arbetsstation och säger sig mest gå omkring och bolla frågor till medlemmarna i gruppen. Han berättar att han en gång ansågs gå för långt i att använda datorer och byggde för komplicerade klimatmodeller. Idag är det snarast tvärtom.
-Det är inte jag som har ändrat mig, försäkrar han.

Vilken roll spelar superdatorer för vår kunskap om växthuseffekten, frågar jag.
-Vi försöker följa cirkulationen i atmosfären, som styrs av fysikaliska lagar, med hjälp av hydrodynamiska ekvationer. Vi behöver superdatorerna för att kunna beräkna dessa ekvationer så exakt som möjligt.


Syukuro Manabe

Forskarna på GDFL använder en teoretisk modell som beskriver utvecklingen i atmosfären med hjälp av ett tänkt rutnät över jordytan. Flöden i och mellan rutnätets "klimatlådor" bestämmer det globala klimatet. Det är detta man kallar hydrodynamik.

Manabe säger att nästa mål i modellbygget är att integrera utvecklingen i atmosfären med den i världshaven. De senare har en mycket stor betydelse för klimatet eftersom de suger upp, omfördelar (ytströmmar och djupshavsströmmar) och avger stora mängder värme.
-Ju snabbare superdatorer vi har desto högre upplösning kan vi använda i våra beräkningar, vilket ger mer precisa svar, säger han.

Hittills har man använt ett rutnät där varje ruta varit 400 gånger 400 km. Den nya Craydatorn gör det möjligt att använda ett dubbelt så finmaskigt nät, med 200 gånger 200 kms bas.
-Vi använder exakt samma matematiska operation för varje atmosfärisk "låda", varför detta är en idealisk situation för datorer med parallella processorer, säger Manabe. Därför kommer vi troligen att gå över till massivt parallella datorer i framtiden.

Han tänker på maskiner som Connection Machine från Thinking Machines, vilken har drygt 65.000 enkla processorer, men bara kostar bråkdelen av en Cray.


Syukuro Manabe

Varför har ni inte redan gjort det?
-Vi vill låta andra vara försökskaniner, så att vi kan lära av deras erfarenheter! Vi vill inte göra misstagen. Ett annat skäl är att Cray Y-MP är mer mångsidig.
-Kraftfullare datorer ger oss en bättre förståelse (för vad som sker i modellen), säger han. Istället för att genomföra ett experiment, kan vi genomföra tio. Om du har åtta processorer kan du genomföra åtta experiment samtidigt. Du kan genomföra känslighetsstudier genom att variera parametrar. Du kan studera vilken roll olika parametrar spela för klimatet, vilket hjälper dig förstå återkopplingar i systemet (s k "feedback").

Forskningen går framåt med ständigt ökade prestanda hos datorerna, men Manabe varnar för övertro på vad datorerna kan åstadkomma.
-Folk frågar oss om vi kan förbättra exaktheten i modellen med kraftigare datorer. Jag svarar ja, men det är starkt missledande att säga att det är det enda vi kan göra, säger han.

Den klimatmodell Manabes grupp arbetar på består av två delar. Den ena innehåller hydrodynamiska ekvationer som beskriver kända fysikaliska sammanhang. Här ger bättre datorer i allmänhet bättre resultat.
Den andra delen rymmer komponenter, som är mindre kända eller inte lika lätt låter sig beskrivas i termer av fysikens lagar. Det finns många sorters "feedback" mellan jordytan, atmosfären och oceanerna, som erbjuder mycket svåra problem för forskarna och deras datormodeller.
-Hur påverkar t ex stackmoln tillståndet i atmosfären? Hur behandlar man värmeutväxling mellan jordytan och atmosfären? Jordytan är täckt av träd och mark vilket gör att det blir väldigt komplicerat, säger Manabe.
-Dessa problem kan inte lösas genom mer datorkraft. Vi måste utföra fältexperiment, teoretiska studier, diagnostiska studier för att komma underfund hur vi ska beskriva dessa processer i våra modeller, säger Manabe.
-Vi kommer att ha kvar osäkerheter om prognoserna om det framtida klimatet mycket länge, säger han.

För alltid?
-Ja! Anta att du har en perfekt modell. Men hur kan du veta om den är perfekt, när varje modell är en förenklad version av verkligheten. Du vet inte vilken effekt den förenklingen har på din förutsägelse. Hur värdera effekten av din okunskap om de delar där vi inte tillräckligt känner till de fysiska lagarna?


Datorn är ett tveeggat svärd säger Syukuro Manabe.

Han varnar för en tendens att svara på osäkerheten genom att föra in alltfler stödantaganden i modellen.
-Datorn är mäktig, men ett tveeggat svärd. Den kan skada oss! Trenden idag är att man stoppar in så mycket så möjligt i modellerna, nu när datorerna blivit så kraftfulla. Detta utan att riktigt förstå konsekvenserna.
-Jag är oroad över den okontrollerade marschen mot "komplistiska" modeller. Simplistiska modeller är också farliga, men just nu är jag mer bekymrad för "komplistiska" människor.
-Folk stoppar in allt de kan se genom fönstret, säger Manabe. Det går inte med hydrodynamiska ekvationerna, men om du talar om markprocesser, stackmoln och annat som vi inte vet hur man ska hantera, kan man stoppa in alla möjliga antaganden i modellen. Man skapar mycket komplicerade algoritmer, men vem vet hur många programmeringsfel det finns i modellen?
-Folk tror att man kan göra ett stort experiment där man tar med allting, liksom man kastar in ingredienser i en pizza. Jag gillar inte sådana idéer.
-Sedan låter de modellen göra en godtycklig förutsägelse och förklarar att detta är den mest sofistikerade, komplicerade modellen i världen. Den måste därför vara riktig.
-Men det viktiga är att förstå vad som sker! Därför måste man göra modellen så enkel som möjligt.
-Om du får en förutsägelse fast du inte begriper vad som pågår i hans modell...kan du tro på den?
-Ingen ska tro att världens mest komplicerade modell kommer att låta oss gå till berget Sinai likt en annan Moses och få svaret från Gud, säger han sarkastiskt.
Riskerar det det starka politiska intresset att korrumpera forskningen om växthuseffekten?
-Ja, på så sätt att folk får så bråttom att de inte tycker sig ha tid att försöka förstå vad de sysslar med. Folk reser för mycket (för att hålla tal på konferenser).
-Vi har en så vacker dator. För att den ska vara mödan värd är det bäst att vi sitter vid våra skrivbord och gör vårt jobb.

Hans Sandberg

Svenska Akademin ringer Syukoro Manabe om Nobelpriset i fysik.