Científicos de más de diez países producen con precisión inédita simulaciones sobre el clima sudamericano

El objetivo es crear un modelo de visualización computacional que represente con mayor exactitud los procesos hidroclimáticos que ocurren en la región y servir de base para la implementación de medidas de adaptación a los cambios climáticos. La iniciativa se conoció durante la FAPESP Week Illinois

Por Elton Alisson, desde Chicago  |  Agência FAPESP – Un consorcio integrado por científicos de más de diez países, entre ellos Brasil, Estados Unidos y algunas naciones europeas, está realizando simulaciones del clima del pasado y del futuro en América del Sur con una resolución sin precedentes. El objetivo es crear un modelo de visualización computacional que represente con mayor precisión los procesos hidroclimáticos que ocurren en la región para ayudar a los tomadores de decisiones a implementar medidas más efectivas de adaptación a los impactos del cambio climático.

El referido trabajo se dio a conocer en un panel de debate sobre el clima el pasado día 10 de abril, durante la FAPESP Week Illinois, realizada en Chicago (Estados Unidos).

“Ahora estamos empezando a ser capaces de representar correctamente el hidroclima de América del Sur a las escalas necesarias”, dijo Francina Dominguez, investigadora del Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y coordinadora del proyecto.

De acuerdo con Dominguez, a ejemplo de todas las regiones del mundo, el clima en América del Sur está cambiando. Se han registrado sequías exacerbadas en el sur de la Amazonia, en la zona del Cerrado, que es la sabana tropical brasileña, en el norte de Brasil y en Chile. Este escenario ha afectado el rendimiento agrícola, el flujo de agua hacia los embalses y la generación de energía hidroeléctrica, y ha impactado en decenas de millones de personas que viven en las grandes áreas metropolitanas de São Paulo, Río de Janeiro y Santiago de Chile, por ejemplo.

Los glaciares andinos, que constituyen una importante fuente de agua, han perdido un 30 % de su área en la franja tropical y hasta un 60 % en el sur de los Andes, en lo que constituyen las más altas tasas de pérdida de masa glacial del mundo. Por otra parte, el sudeste de América del Sur enfrenta un aumento de las lluvias anuales y la intensificación de fuertes precipitaciones desde el comienzo del siglo XX.

“América del Sur se enfrenta a dos fuerzas gigantescas, que son los cambios climáticos y las alteraciones en el uso de la tierra, que han venido ocurriendo no solamente en la selva amazónica, sino también en otras áreas de la región, como el Gran Chaco, en Argentina. Y también hay cambios muy grandes tanto en el clima global como en el clima regional. Como resultado de estos procesos, hemos observado que los extremos climáticos están cambiando en todo el continente, y esto pone en riesgo la seguridad hídrica y alimentaria de millones de personas”, afirmó Dominguez.

Las proyecciones climáticas futuras se basan en modelos climáticos globales, los llamados GCM, por sus siglas en inglés. Más allá de que han avanzado mucho durante las últimas décadas, estas representaciones conceptuales del clima global son incapaces de capturar detalles del hidroclima de América del Sur y exhiben distorsiones significativas, según ponderó investigadora.

Parte de este problema se relaciona con la resolución espacial tosca de esos modelos, cuyo espaciamiento de parrillas horizontales, que representan la superficie de tierra y los océanos, es del orden de las decenas de kilómetros (km). Por eso no logran representar correctamente procesos que transcurren a escalas menores y en zonas montañosas, como la lluvia de relieve o lluvia orográfica –que surge cuando las nubes encuentran obstáculos tales como las sierras y montañas–, aparte de la caída de nieve acumulada en montañas y glaciares.

“Con los GCM actuales no es posible ver topografías complejas, y esto constituye un problema en América del Sur, donde están los Andes y otras áreas con estas características”, afirmó Dominguez.

Los GCM tampoco logran representar realísticamente ciclones, chorros de bajo nivel –una estrecha zona de vientos máximos que surge en los primeros kilómetros de la atmósfera– y tormentas de sistemas conectivos organizados.

“En áreas de la cuenca del Río de la Plata, así como en São Paulo y otras grandes áreas urbanas y agrícolas en América del Sur, la convección organizada es uno de los mecanismos más importantes de precipitaciones y no aparece correctamente representada en los modelos climáticos globales”, dijo Dominguez.

Con base en esta constatación, y en el marco de un consorcio de investigación llamado South America Affinity Group, los científicos realizaron dos simulaciones computacionales de modelo de investigación y pronóstico del tiempo (WRF, las siglas en inglés de weather research and forecasting model), con una alta resolución sin precedentes de espaciamiento de parrilla de 4 km, representando climas históricos y futuros del continente.

El objetivo es emplear la simulación histórica para validar el modelo y entender mejor las características hidroclimáticas del continente con mayor nivel de detalles, y utilizar la simulación climática futura para evaluar las alteraciones que deben ocurrir en América del Sur con un clima más cálido.

“Este es un gran esfuerzo en el que toman parte más de 100 científicos, muchos de ellos de Brasil, y en gran medida de São Paulo”, dijo Dominguez.

Un bajo rendimiento computacional

De acuerdo con Kelvin Droegemeier, docente de ciencias atmosféricas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, durante los últimos años se han desarrollado modelos del sistema terrestre increíblemente sofisticados que representan a la atmósfera, el hielo, los océanos y los ciclos biogeoquímicos, entre otros elementos.

Estos modelos requieren el trabajo de computadoras muy poderosas para efectuar las integraciones a largo plazo. Con todo, el problema reside en que solamente logran llegar a una pequeña fracción de la capacidad máxima de las máquinas actuales. 

“Los modelos actuales solamente llegan a entre el 2 % y el 3 % de una máquina exascale [un tipo de computación de alto rendimiento con una capacidad alrededor de mil veces más rápida del que la de las más poderosos supercomputadoras actualmente en uso]. Es como si esos modelos fuesen una Ferrari o un auto de carrera de Fórmula Uno y solamente pudiera manejárselos a una velocidad de 25 kilómetros por hora”, comparó el investigador.

Asimismo, los modelos exhiben problemas de resolución y de física y son incapaces de capturar detalles, tales como los procesos que ocurren en regiones como América del Sur. “Estos modelos tienen muchos problemas, pero la culpa no es de ellos sino de los sistemas en los cuales se los está ejecutando”, ponderó Droegemeier.

Con el fin de avanzar en la capacidad computacional para operar con los modelos del sistema terrestre, la universidad estadounidense realizará un encuentro internacional entre el final del mes septiembre y comienzos de octubre de este año destinado a desarrollar un sistema computacional para la ciencia del sistema terrestre de frontera en simulación y proyección climática.

“El objetivo será debatir al respecto de dónde están los sistemas computacionales que nos permitirán ejecutar esos modelos en altísima resolución global. Contamos con las partes interesadas: los fabricantes de chips como NVIDIA e Intel, por ejemplo, que quieren participar en la discusión”, comentó el investigador.

La universidad estadounidense también está elaborando un concepto para crear un centro nacional de pronóstico de eventos extremos causados por los cambios climáticos y otro sobre ciencia de la previsibilidad y sus aplicaciones, anunció Droegemeier.

El panel dedicado a los estudios sobre el clima también contó con la participación de Marcos Buckeridge, docente de la Universidad de São Paulo (USP).

Más información sobre la FAPESP Week Illinois en este enlace: fapesp.br/week/2024/illinois.

Marcos Buckeridge (parado), Francina Dominguez y Kelvin Droegemeier (foto: Elton Alisson/Agência FAPESP)