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Paulo NobreInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
CONCLIMA, 9 September 2013
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BESM Financial Support:
• Rede CLIMA – Rede Brasileira de Pesquisa sobre Mudanças Climáticas Globais
• INCT-MC – Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Mudanças Climáticas
• PFPMCG – Programa FAPESP de Pesquisa em Mudanças Climáticas Globais
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BESM Science Team
• Principal Investigator: C. A. Nobre• General Coordinator: P. Nobre• Atmosphere:
– J. P. Bonatti, J. P. Fernandez, S. N. Figureroa, P. Kubota, F. Pesquero, E. Ramirez, G. Luzia, T. Tarasova, O. Moraes
• Ocean: – P. Nobre, E. Giarolla, L. Siqueira, M. Malagutti; M. J. Bottino; G.
Marcondes, M. Baptista
• Surface: – M. H. Costa, G. Sampaio, M. Cardoso, M. Sanches, A. Luz, F.
Murta,
• Chemistry: – S. Correa, D. Alvin, D. Enoré, V. Capistrano
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BESM Core Institutions
• Coordination: INPE
• Atmosphere: – INPE/CPTEC, USP, UFSM, UFCG
• Ocean: – INPE/CPTEC, USP, UFPE, IISc, NASA/GISS, NOAA/GFDL
• Surface: – INPE/CCST, USP, UFV, UFSM, WHRC, EMBRAPA
• Chemistry: – UERJ, INPE, NCAR, MPI, IITM, CSRI
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Global Climate ChangeExtreme Events Fast Growth
Th
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, U
K
Hurricane Catarina (2004)
JFMA 2010: Hottest Period on Record
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01
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ClimateVariability x Change
State1
State2
variability
T1
< T2
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Change of Frequency of Extremes
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Extreme Events Impact on Peoples Lives
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FloodsGovernador Valadares, MG, 2011
http://www.uol.com.br/
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Our Challenge:
• To build an Earth System Model in Brazil, from state of the art component models in the nation and abroad:
1. To incorporate expert knowledge (e.g. the LBA program) about ocean-ice-atmosphere-biosphere interactions of relevance to Brazil;
2. To provide the scientific foundations of global climate change scenarios for mitigation and adaptation policies to climate change in Brazil;
3. To contribute to form a new generation of modeling-capable earth system scientists in the nation.
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The Global Climate System
FAQ 1.2, Figure 1
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BESM DEVELOPMENT STRATEGY
(i) full use of CPTEC’s experience and sub-models
(ii) collaboration with advanced climate change centers abroad
– Take CPTEC Global Coupled Ocean-Atmosphere Model as the structuring building-block
– Use GFDL/FMS coupler to add components: • Dynamic vegetation with carbon cycle;
• Continental hydrology-ocean coupling;
• Ocean carbon cycle;
• Enhanced sea ice and pack ice;
• Atmospheric chemistry.
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RIVER ICE
BioChemistry Predictability
Fire
Hydrology Land Use
RIVERS
H2O
Heat
CO2
Trace Gases
Particles
2080-2099 A1B 2080-2099 A1B
LAND (IBIS – INPE/CCST)
ATMOSPHERE (INPE/CPTEC)
OCEAN (MOM4 – NOAA/GFDL)
ATMOS CHEMISTRY (HAMMOZ - MPI)
BESM Component ModelsSeptember 2013
FMS COUPLER
CO2
Co
urt
esy: P
au
lo N
ob
re
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BESM System goal
MOM4p1
OGCM
IC
Coupled Forecast
GFDL’S
FMScoupler
GFDL’S
MOM5OGCM
CPTEC’s
AGCMF90 mpi
GFDL’s
SISMarine Ice
NCAR’S
IBISSfc Model
TOPAZbiogeochemistryCO2
N, P, K
SST
U, VIce &
Albedo
Sfc Fluxes
Prec
Temp,
Winds
HeatF
P-E
Winds
HeatF
Lprec, Snow,
SolarRad, T, U, V
Prec,
Temp,
HeatFSST
Albedo
Chemistry
Aerosol
THMB
Hydrology
AGRO
Agriculture
FIRE
Forest Fire
Initialization
Winds
Solar
NCEP’S
Analises
CPTEC’s
AGCMF90 mpi
T, S
MOM4p1
OGCM
Atmos
Obs
Coupled
Initialization
hourly
Coupled
Timestep
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BESM SCIENTIFIC RESULTSSeptember 2013
• Amazon Deforestation and Climate Change– Nobre et al (2009) J.Climate [BESM-OA1.0 Global Tropics]
• Summer School on Global Climate Modeling– Nobre et al (2011) FAPESP São Paulo School on Advanced Studies
• Summer rainfall over South America– Nobre et al (2012) J.Climate [BESM-OA2.3]
• Oceanic CO2 modeling – De Farias et al (2012) IJGS [BESM-OA2.3_Topaz]
• IPCC-AR5 Atmospheric CO2 induced global warming– Nobre et al (2013) J.Climate [BESM-OA2.3]
• Under the hood:– The new version of BESM-OA2.4_Ibis
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BESM Development StatusSeptember 2013
BESM-OA2.3.0 (SSIB, Mauna Loa) CMIP5: 2,500 years decadal scenarios 1960-2100 Nobre et al (2013) J. Climate
BESM-OA2.3.1 (SSiB, Mauna Loa, RCPs):– 3 articles in preparation– 2000-2100: RCP4.5 & RCP8.5;– 1875-2000: obs CO2, solar;
BESM-Ibis2.4.0 (IBIS, Mauna Loa, RCPs):– Promising first results;– First experiments with Ibis dynamical vegetation;– Land use change;
• BESM-Hammoz2.5.0 (Atmos Aerosol & Chemistry):– Echam-HAMMOZ: implemented at Tupã Supercomputer, in tests.
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DJF MAM
Marengo et al. (2002)
CPTEC AGCM, 50 years, 10 Member Ensemble, Kuo, T062L28, Obs SST
SACZ Signature, not captured by AGCMIncreased Rainfall over WARM Waters
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SACZ Signature, Represented by BESMIncreased Rainfall over Cold Waters
Nobre et al. (2012)
OBSERVATIONS
BESM-OA2.3
AGCM, Obs SST
AGCM, BESM SST
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BESM-OA2.3 CMIP5 RESULTS
• Global Atmospheric Warming
• In Depth Global Ocean Warming
• Global Ice Retreat
Nobre et al (2013) J. Climate
ERSST JEOF1 (12.5%) 1960-2010
BESM2.3 JEOF1 (12.5%) 2005-2105
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BESM2.3.1 Centenial Runs
Mauna Loa
Control
• Cenários BESM (Mauna Loa): aquecimento dos oceanos e da atmosfera global devido ao aumento da concentração de CO2 atmosférico.
• 10.000+ anos de integrações do BESM em modo de conjuntos já realizados no supercomputador Tupã no INPE.
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CMIP5 BESM2.3.1 RCPs Scenarios
Surface Temperature over Brazil
RCP 8.5: 0.235 C/decade
RCP 4.5: 0.134 C/decade
Observed Tmax Index BRAZIL
Sta
nd
ard
De
via
tion
(C
)
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São Paulo Heat Island
Heat Island Impact on Rainfall
Global Climate Change and the Mega-Cities
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Previous version 5th day
usable forecast skill
MB09BC’s 9th day usable
forecast skill
T850 HS
CPTEC AGCM Version 2012 Improvements
Courtesy: J. P. Bonatti (2013)
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BESM Rainfall over the Amazon
GPCP
BESM 2.3 BESM 2.3.1
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Reanalysis ERA interim
BESM 2.3 BESM 2.3.1
BESM Upper Air Divergence
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Upper Level DivergenceCMIP5 Models IntercomparisionPRECIP BIAS CLIMO SKILL
BESM2.3 BESM2.3.1
CCSM4 HadCM3
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BESM-OA2.3.1Atlantic ITCZ North-South Migration
Reanalysis Era Interim
BESM2.3.1 (bias = -1.72; rmse = 2.95)
BESM2.3 (bias = -4.38; rmse = 5.11)
V at 10 m (m/s): 5N 30W +/- 2
Representação da migração sazonal
Norte-Sul da ZCIT
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BESM-OA2.3.1Atlantic ITCZ North-South Migration
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OBSERVATION BESM-IBIS2.4 BESM-OA2.3 (CMIP5)
BESM-Ibis2.4Equatorial Atlantic Cold Tongue
COLD TONGUE
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Vegetação Simulada pelo BESM
Florestas Tropicais e Deserto
GLO
BA
LT
RÓ
PIC
OS
AM
AZ
ÔN
IA
Experimentos:
1.BESM v1c0:
• Período de simulação: 1961-2007
• CO2: fixo em 370 ppmv
• Dinâmica da vegetação: on
2.BESM v1c1:
• Período de simulação: 1961-2007
• CO2: Mauna Loa – variável
• Dinâmica da vegetação: on
- O modelo simula bem as áreas de
florestas tropicais na Amazônia,
Trópicos e em todo o Globo.
- Subestima a área de desertos
globais.
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Northern Hemisphere Ice Fraction
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Equatorial Pacific sea surface temperatures (0C) from UK Ocean Model
1/12o
1/4o
1o
Courtesy: J. Shukla, IGES/COLA
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BESM-OA2.3HiRes CMIP5 would require the whole 30,000 processors of Cray EX6 during two years to be completed
BESM Supercomputer Performance
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. AGCM2009SSIB
. MOM4p0
River Discharge
. AGCM2009SSIB
. MOM4p1
Topaz; SIS,
. AGCM2012IBIS
. MOM4p1
Topaz, SIS
. AGCM2012INLAND
. MOM4p1
Topaz, SIS
. AGCM2013INLAND,Chem
. MOM5Topaz, SIS
AGCM2013Chem
. INLAND_THMB
. MOM5Topaz, SIS
2009: Start 2010 2012 2013 2014 2015
BESM-OA2.1
BESM-OA2.3
BESM-OA2.3.1
BESM-Ibis2.5
BESM-Inland2.7
BESM-Hammoz2.9
BESM 3.0
T062L28 atmos 1.0 L50 ocean
BESM Version Releases Plan
T126L64 atmos ¼ L64 oceans
BESM RCPSCENARIOS
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The greatest Challenge: ‘Peopleware’
Model Component Present* In 5 years* In 10 years*
Atmosphere 8 + 10 15 + 15 30 + 30
Land 10 + 20 20 + 30 40 + 60
Chemistry 4 + 4 10 + 15 20 + 30
Ocean 8 + 6 15 + 20 30 + 40
TOTAL 30 + 40 60 + 80 120 + 160
* Researchers + Students/Collaborators
• Long term research programs: FAPESP Research Program on Global Climate Change; Rede CLIMA; INCT for Climate Change
• 10 Doctoral programs supporting capacity building in Earth System Modeling
• “International Summer Schools” will engage some 40 doctoral students/post-docs from S. America, S. Africa and India fellows per School.
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Concluding Remarks
• BESM-OA model has been completed, allowing Brazil to inaugurate its participation in the CMIP5/IPCC AR5 global climate change scenarios.
• BESM-Ibis/Inland is under construction with first runs showing promising results.
• Next steps: Full ESM with dynamical vegetation, continental hydrology and the incorporation of the Atmos Chemistry component.
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Challenges Ahead
• Building a trully interactive science-policy making-private sectors network that is capable to understand and use the scenarios and forecasts of BESM for decision making;
• Bringing the whole of the scientific community, professors & students, in Brazil and other countries to cooperate for that end.