IPCC

Cambio Climático: Ensambles multimodelo¶

Introducción¶

En este cuadernillo (Notebook) aprenderemos:

Breve introducción a los escenarios de Cambio Climático.
Proyecto de inter-comparación de modelos de clima acoplados - CMIP.
Acceso a los datos CMIP6 en formato Zarr.
Reproduccion de la gráfica de la Temperatura Media Global de la Superficie del Mar - CMIP6.

Prerequisitos¶

Conceptos	Importancia	Notas
Xarray	Necesario	Manejo de datos multidimensionales espacializados
Matplotlib	Necesario	Generación de gráficas
CMIP6	Necesario	Ejemplos y análisis de CMIP6
NetCDF	Útil	Familiaridad con la estructura de datos y metadatos.
Intake	Útil	Cátalogo que nos permite acceder a datos de diversas fuentes

Tiempo de aprendizaje: 30 minutos.

Librerías¶

Importamos las librerías que usaremos a lo largo de este cuadernillo.

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import xarray as xr
from datatree import DataTree
from pandas import date_range
from xarrayutils.plotting import shaded_line_plot
from xmip.postprocessing import concat_members, match_metrics
from xmip.preprocessing import combined_preprocessing
from xmip.utils import google_cmip_col

xr.set_options(keep_attrs=True)
%matplotlib inline
plt.rcParams["figure.figsize"] = (10, 5)

---------------------------------------------------------------------------
ModuleNotFoundError                       Traceback (most recent call last)
Cell In[1], line 4
      2 import numpy as np
      3 import xarray as xr
----> 4 from datatree import DataTree
      5 from pandas import date_range
      6 from xarrayutils.plotting import shaded_line_plot

ModuleNotFoundError: No module named 'datatree'

1. Introduccion a los escenarios de Cambio Climático¶

Los escenarios de cambio climático son una serie de modelos que se han desarrollado con el fin de comprender nuestro clima y las implicaciones futuras de las continuas emisiones de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Estos esfuerzos se han concentrado en el Proyecto de Intercomparacion de Modelos (MIP) que invita a entidades de diferentes partes del mundo a realizar simulaciones utilizando modelos bajo escenarios de forzamiento radiativo centralizado (Abernathey, R. 2021). El más reciente Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados fase 6 (CMIP6) representa un esfuerzo internacional para enfocar el conocimiento acerca de la posible evolucion del sistema climático futuro, y que se encuentra consignado y resumido en el Informe del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático.

A continuación podemos ver una presentación corta que nos permite entender un poco más que hay detras del Cambio Climático y la modelación climática cortesía de Climate Match Academy.

from IPython.display import IFrame
from ipywidgets import widgets

link_id = "y2bdn"

download_link = f"https://osf.io/download/{link_id}/"
render_link = f"https://mfr.ca-1.osf.io/render?url=https://osf.io/{link_id}/?direct%26mode=render%26action=download%26mode=render"
# @markdown
out = widgets.Output()
with out:
    display(IFrame(src=f"{render_link}", width=730, height=410))
display(out)

print("Cortesia: Climate Match Academy (CC BY 4.0)")

2. Acceso a los datos CMIP6¶

Los datos de los diferentes modelos se encuentran disponibles en la plataforma en la nube de Google Storage en formato Zarr. Para acceder a los datos de los diferentes escenarios de cambio climático podemos usar la librería xmip. Para crear una conexión con el repositorio de datos de Google usaremos el método google_cmip_col que nos permite acceder a los datos de Pangeo a través de intake de la siguiente manera:

cat = google_cmip_col()
cat

Como podemos ver hay una gran cantidad de modelaciones de más de 30 instituciones alrededor del mundo. Para efectos pedagógicos, vamos a hacer una consulta de los modelos IPSL, MPI, GFDL, EC, CMCC y CESM2 para el periodo histórico y cada uno de los de los escenarios (SSP - Shared Socioeconomic Pathways) proyectados (ssp126, ssp245, ssp370, ssp585).

Debemos crear un diccionario que nos permita posteriormente filtrar los datos deseados de la siguiente manera:

query = dict(
    source_id=[
        "IPSL-CM6A-LR",
        "MPI-ESM1-2-LR",
        # "GFDL-ESM4",
        # "EC-Earth3",
        "CMCC-ESM2",
        # "CESM2",
    ],
    experiment_id=["historical", "ssp126", "ssp370", "ssp245", "ssp585"],
    grid_label="gn",
)

El parámetro de etiqueta de reticula grid_label hace referencia a si los datos son reportados en retícula original (gn) o fue reprocesado a una nueva retícula (gr) en formato lat y lon.

Para filtar los datos podemos aplicar el método .search a nuestro catálogo. Le pasamos los filtros previamente definidos incluyendo el identificador de la variable (variable_id), para nuestro caso la temperatura superficial del mar tos. Pasamos también el identificador de miembro member_id que para nuestro caso es r1i1p1f1.

La etiqueta de miembro nos indica lo siguiente:

r = realización
i = inicialización
p = física (parametrización)
f = forzamiento radiativo

Como último parámetro en nuestro ejemplo pasamos el identificador de table table_id que para nuestro caso son datos mensuales del oceano Omon.

cat_filt = cat.search(
    **query,
    variable_id="tos",
    member_id=[
        "r1i1p1f1",
    ],  #'r2i1p1f1'
    table_id="Omon",
)
cat_filt

Intake nos permite acceder a los datos de manera rápida y fácil usando Xarray. Para cargar estos datos en un Dataset podemos aplicarle el método .to_dataset_dict que nos permite crear un diccionario con todos los modelos. Podemos pasar un diccionario kwargs con argumentos que nos permiten realizar preprocesamiento de los datos como: renombrar algunos archivos, corregir coordenadas, unidades, entre otros (como podemos ver acá).

kwargs = dict(
    preprocess=combined_preprocessing,
    xarray_open_kwargs=dict(use_cftime=True),
    aggregate=False,
)
ddict = cat_filt.to_dataset_dict(**kwargs)

print(list(ddict.keys())[:2])

Revisemos el contenido de uno de estos archivos

ds_test = ddict[
    "ScenarioMIP.CMCC.CMCC-ESM2.ssp126.r1i1p1f1.Omon.tos.gn.gs://cmip6/CMIP6/ScenarioMIP/CMCC/CMCC-ESM2/ssp126/r1i1p1f1/Omon/tos/gn/v20210126/.20210126"
]
display(ds_test)

Ahora una inspección gráfica

ds_test.isel(member_id=0, dcpp_init_year=0, time=0).tos.plot(
    cmap="Spectral_r", vmin=-5, vmax=35
)

3. Temperatura media global ponderada¶

La temperatura superficial del mar, y cualquier otra variable o salida de los modelos de cambio climático, debe ser ponderada por el área de cada celda.

IPCC

Créditos: Gael Forget. Para mas información acerca de las simulaciones y las retículas ver https://doi.org/10.5194/gmd-8-3071-2015

Estas áreas ya estan calculadas y disponibles para su consulta de manera similar a los datos de temperatura. Hagamos una consulta al catálogo similar a la anterior cambiando los campos de variable_id=areacello y table_id=Ofx.

cat_area = cat.search(
    **query,
    table_id="Ofx",
    variable_id="areacello",
)
ddict_area = cat_area.to_dataset_dict(**kwargs)

para realizar el cálculo de la temperatura media ponderada por latitud podemos utilizar el módulo match_metrics de la libreria xmip de python de la siguiente manera:

ddict_w_area = match_metrics(ddict, ddict_area, "areacello", print_statistics=True)

# ddict_w_area

Ahora procederemos a concatenar los miembros en cada uno de los modelos usando el módulo .concat_members

ddict_trimmed = {k: ds.sel(time=slice(None, "2100")) for k, ds in ddict_w_area.items()}
ddict_combined_members = concat_members(
    ddict_w_area,
    concat_kwargs={"coords": "minimal", "compat": "override", "join": "override"},
)

Xarray.Dataset no soporta tener múltiples Datasets anidados en un solo objeto de Xarray. Sin embargo, podemos crear un objeto llamado Xarray.datatree que nos permite poner todos nuestros Datasets en un solo objeto de manerar jerárquica. Para entender un poco más los formatos y objeto de tipo jerárquico vea este ejemplo.

# Crear path: diccionario del dataset, donde el path está basado en cada uno de los atributos del dataset
tree_dict = {
    f"{ds.source_id}/{ds.experiment_id}/": ds for ds in ddict_combined_members.values()
}

dt = DataTree.from_dict(tree_dict)
display(dt)

# dt.nbytes / 1e9

Para acceder a los datos dentro de este Xarray.datatree usamos notación de diccionarios de Python

dt["IPSL-CM6A-LR/historical"].ds

Ahora sí podemos generar un gráfico de la temperatura media global ponderada por el área de cada celda

dt["IPSL-CM6A-LR/historical"].isel(member_id=0, dcpp_init_year=0, time=0).tos.plot(
    cmap="Spectral_r", vmin=-5, vmax=35
)

Ahora podemos calcular la anomalía de la temperatura superficial media global ponderada por latitud para cada uno de los modelos.

# Temperatura media global

def global_mean_sst(ds):
    return ds.tos.weighted(ds.areacello.fillna(0)).mean(["x", "y"]).persist()


timeseries = dt.map_over_subtree(global_mean_sst)
timeseries

Podemos generar una serie de tiempo para inspeccionar los resultados. Usemos el modelo IPSl con el escenario ssp585.

ds_IPSL_ssp585 = timeseries["/IPSL-CM6A-LR/ssp585"].ds
ds_IPSL_ssp585 = ds_IPSL_ssp585.assign_coords(
    time=("time", ds_IPSL_ssp585.time.data.astype("datetime64[ns]"))
)
ds_IPSL_ssp585["tos"].plot()

4. Anomalía de la temperatura media global ponderada¶

De igual manera podemos remover el ciclo estacional, también llamado “climatología”, para calcular la anomalía de la temperatura superficial del Océano.

# Valor medio histórico de referencia


def get_ref_value(ds):
    return ds.sel(time=slice("1950", "1980")).mean("time")


anomaly = DataTree()

for model_name, model in timeseries.children.items():
    # model-specific base period
    base_period = get_ref_value(model["historical"].ds)
    anomaly[model_name] = model - base_period  # subtree - Dataset

display(anomaly)

Los datos de los modelos de cambio climático traen una estampa de tiempo en formato cftime.DatetimeGregorian. Xarray y Matplotlib generalmente trabajan con estampas de tiempo de datetime64. Debemos convertir estos índices usando la función replace_time. Luego podemos agrupar los datos por escenario usando un diccionario como se muestra a continuación:

# anomaly['/IPSL-CM6A-LR/ssp585'].time

def replace_time(ds):
    start_date = ds.time.data[0]
    new_time = date_range(
        f"{start_date.year}-{start_date.month:02}", freq="1MS", periods=len(ds.time)
    )
    ds_new_cal = ds.assign_coords(time=new_time, source_id=model_name)
    return ds_new_cal


experiment_dict = {
    k: [] for k in ["historical", "ssp126", "ssp370", "ssp245", "ssp585"]
}

experiment_dict

Iteramos sobre cada uno de los modelos en el objeto datatree donde tenemos las anomalías de la temperatura superficial del mar y las agregamos a cada una de las llaves del diccionario

for model_name, model in list(anomaly.children.items()):
    for experiment_name, experiment in model.children.items():
        # replace the time dimension
        ds_new_cal = replace_time(experiment.ds)
        experiment_dict[experiment_name].append(ds_new_cal.load())

Concatenamos cada escenario a lo largo de la dimension source_id

# Concatenar todos los modelos para un determinado experimento
plot_dict = {
    k: xr.concat(ds_lst, dim="source_id") for k, ds_lst in experiment_dict.items()
}
plot_dict

Comprobamos que nuestras estampas de tiempo esten en el formato datetime64

plot_dict["historical"].time

5. Esamble Multimodelo¶

Finalmente generamos nuestra gráfica de las proyecciones de la anomalía de temperatura superficial del mar bajo los distintos escenarios. Para esto podemos usar la función shaded_line_plot que produce un gráfico de líneas con intervalos sombreados según la extensión del datarray en la dimensión source_id. Creamos nuestro ensamble multimodelo!!!

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 4))

color_dict = {
    "historical": "0.5",
    "ssp126": "C2",
    "ssp245": "gold",
    "ssp370": "C1",
    "ssp585": "C3",
    "observations": "C5",
}
for experiment, ds in plot_dict.items():
    color = color_dict[experiment]
    smooth = (
        ds["tos"]
        .sel(time=slice(None, "2100"))
        .isel(member_id=0)
        .rolling(time=2 * 12)
        .mean()
        .squeeze(["dcpp_init_year"])
    )
    lw = 2 if experiment == "observations" else 1.5
    shaded_line_plot(
        smooth,
        "source_id",
        ax=ax,
        spreads=[2.0],
        alphas=[0.2],
        line_kwargs=dict(
            color=color, label=f"{experiment} ({len(ds.source_id)})", lw=lw
        ),
    )
plt.legend(loc=2)
plt.grid()
plt.tight_layout()

Resumen final¶

En este cuadernillo (notebook) revisamos temas relacionados con el acceso a la información proveniente de diferentes escenarios de Cambio Climático a partir de los conjuntos de datos disponibles en CMIP. Promediamos la temperatura superficial teniendo en cuenta el tamaño de las celdas del modelo y, reprodujimos la gráfica multimodelo de las proyecciones de cambio climático.

Fuentes y referencias¶

ClimateMatch Academy: Computational Tools for Climate Science. (s. f.). https://comptools.climatematch.io/tutorials/intro.html
Abernathey, R. 2023. An Introduction to Earth and Environmental Data Science. Retrieved from Earth and Environmental Data Science: https://earth-env-data-science.github.io/intro.html
Easy IPCC Part 1: Multi-Model Datatree. Nicholas T. 2019. https://medium.com/pangeo/easy-ipcc-part-1-multi-model-datatree-469b87cf9114

Acceso a datos hidrometeorológicos

El Niño - Oscilación del Sur (ENOS)