Все, що ви завжди хотіли знати про кліматичні моделі, - це вступ до ScienceBlog
Четвер, 19 квітня 2018 р. - 17:34 - Карбоновий бриф Комп’ютерні моделі лежать в основі кліматичних досліджень. Такі моделі є необхідними для розуміння клімату Землі: чи вони допомагають дослідникам з'ясувати цикли льодовикового періоду, що йдуть сотнями тисяч років, або зробити прогнози на це чи наступне століття. Британська платформа Carbon Brief надає інформацію про останні події в галузі кліматичних досліджень, кліматичної політики та енергетичної політики у зручній для розуміння формі та опублікувала низку статей в дискусіях з кліматичними експертами, які відповідають на ключові питання щодо кліматичних моделей. Перша частина цієї серії обертається навколо питання: Що таке кліматична модель? *
Що таке кліматична модель?
Глобальна кліматична модель величезна. Зазвичай програми в закодованому вигляді достатньо для заповнення 18 000 друкованих сторінок; Сотні вчених багато років працювали над створенням та вдосконаленням такої програми, і для її запуску може знадобитися гігантський комп’ютер розміром з тенісний корт.
Самі кліматичні моделі бувають різних форм - від тих, які охоплюють лише певний регіон Землі або певну частину кліматичної системи, до тих, що імітують атмосферу, океани, крижані маси та суші для всієї планети.
Результати таких моделей сприяють дослідженню клімату та допомагають вченим зрозуміти, як діяльність людини впливає на клімат Землі. Такий прогрес став основою для прийняття рішень щодо кліматичної політики на національному та міжнародному рівнях протягом останніх п’яти десятиліть.
Багато в чому кліматичне моделювання є лише продовженням прогнозування погоди, але воно зосереджується на змінах, які відбуваються протягом десятиліть, а не годин. Насправді, британський центр Met Office Hadley Center використовує одну і ту ж "уніфіковану модель" як основу для обох функцій.
Величезна обчислювальна потужність, необхідна для імітації погоди та клімату, означає, що сучасні моделі працюють на масивних суперкомп'ютерах. Наприклад, три нові суперкомп’ютери Cray XC40 (див. Пов’язані посилання) в Met Office Hadley Center можуть виконувати в цілому 14000 трильйонів арифметичних операцій в секунду.
Що саме потрапляє в кліматичну модель?
В основному кліматичні моделі використовують рівняння для представлення процесів та взаємодій, які рухають кліматом Землі. Ці рівняння включають процеси в атмосфері, океанах, на суші та вкритих льодом регіонах Землі.
Моделі базуються на тих самих законах та рівняннях, які є основою для розуміння фізичних, хімічних та біологічних механізмів у земній системі. Наприклад, вчені вимагають, щоб кліматичні моделі підкорялися фундаментальним фізичним законам, таким як
- закон збереження енергії (перший закон термодинаміки), який говорить, що в замкнутій системі енергія не може бути створена або втрачена, а лише перетворюється з однієї форми в іншу,
- закон Стефана-Больцмана, який описує теплове випромінювання чорного тіла в залежності від його температури і за допомогою якого можна пояснити природний парниковий ефект, що робить земну поверхню на 33 o C теплішою, ніж була б в іншому випадку,
- Рівняння для динаміки в кліматичній системі - для залежності температури повітря та тиску водяної пари (рівняння Клаузіуса-Клапейрона),
- найважливіший із цих законів - рівняння Нав'є-Стокса для потоку рідин, які фіксують швидкість (v), тиск (p), температуру та щільність (ρ) газів в атмосфері та води в океанах (рис. 1).
Однак цей набір рівнянь з частковими похідними є настільки складним, що не відомо точного рішення для них (за винятком кількох простих випадків). Це залишається одним із найважливіших математичних завдань (і виграш у мільйон доларів для того, хто може довести, що рішення завжди є). Натомість ці рівняння вирішуються в моделі "чисельно", що означає, що вони є наближеннями.
Кожен із цих фізичних принципів перекладається в математичні рівняння, які заповнюють рядок за рядком комп'ютерного коду - для того, щоб створити глобальну кліматичну модель, можна створити більше 1 мільйона рядків. Глобальні кліматичні моделі часто пишуться у "Fortran", мові програмування, яка була розроблена IBM у 1950-х роках і структурована як людська мова. Невеликий уривок з коду моделі Met Office Hadley Center показує, як виглядають такі рядки (рис. 2). Коли модель запускається, вона автоматично перекладається в машинний код, який комп’ютер може зрозуміти.
Багато інших мов програмування тепер також доступні для дослідження клімату (наприклад, "C", "Python", "R", "Matlab" та "IDL"), проте деякі з них працюють повільніше, ніж Fortran. Fortran і "C" сьогодні широко використовуються для швидкого запуску глобальної моделі на комп'ютері.
Просторова роздільна здатність
Рівняння в програмному коді описують основну фізику кліматичної системи - від утворення та танення морського льоду в арктичних водах до обміну газами та вологою між поверхнею суші та повітрям над.
З середини 1970-х років все більше і більше процесів, що стосуються клімату, були включені в глобальні кліматичні моделі. На малюнку 3 показано зростаючу складність моделей аж до 4-го звіту про оцінку ("AR4") Міжурядової комісії з питань зміни клімату (МГЕЗК) у 2007 році, завдяки чому нещодавно додані фізичні відносини символізуються зображеннями.
То як модель може обчислити всі ці рівняння?
Оскільки кліматична система є дуже складною, а продуктивність комп'ютера має свої межі, модель не може розрахувати всі кліматичні процеси на кожен кубічний метр кліматичної системи. Натомість ви накладаєте сітку на поверхню землі і ділите її на ряд коробок або «осередків сітки». Глобальна кліматична модель може поширювати десятки шарів вгору в атмосферу і вниз у глибини океанів. Як ви можете собі уявити це у трьох вимірах, показано на малюнку 4.
Тепер модель розраховує стан кліматичної системи для кожної клітини з урахуванням температури, тиску повітря, вологості та швидкості вітру.
Для процесів, що відбуваються на масштабах, менших за клітинку сітки (наприклад, конвекція), модель використовує «параметризації» - наближення, які спрощують процеси та дозволяють їх включати в модель. (Параметризація буде розглянута в наступному розділі.)
Розмір комірок визначає просторову роздільну здатність. Порівняно груба кліматична модель має клітини, які тягнуться приблизно на 100 км у напрямку довгот та широт в середньогеографічних широтах. Оскільки Земля є сферою, клітини на екваторі більші, ніж на полюсах. Тому все частіше використовуються альтернативні мережі, які не мають цієї проблеми (ікосаедричні та сітчасті методи «кубічної сфери»).
Тоді у моделі з високою роздільною здатністю все більше і менше комірок. Чим вища роздільна здатність, тим конкретніша кліматична інформація буде надана моделлю для певного регіону - оскільки потрібно більше обчислювальних операцій, це відбувається за рахунок довшого обчислювального часу. Загалом, збільшення просторової роздільної здатності в два рази означає, що десять разів обчислювальної потужності потрібно за той самий обчислювальний час.
Як покращено просторову роздільну здатність між 1-м звітом про оцінку (FAR 1990) та 4-м звітом про оцінку (AR 4 2007) МГЕЗК, показано на малюнку 5. Це стає чітко видно, як було створено рельєф поверхні суші.
Часова роздільна здатність
Подібний компроміс, як із просторовою роздільною здатністю, також слід зробити з тимчасовою роздільною здатністю - тобто як часто модель обчислює стан клімату - зроблено. У реальному світі час безперервний, але модель повинна розбивати його на розділи, щоб зробити розрахунки керованими.
"Кожна кліматична модель робить це певним чином, найпоширеніший підхід - це якийсь метод" стрибків ", пояснює Пол Вільямс, професор досліджень атмосфери в Університеті Редінг." Як одна дитина стрибає з іншої на дитячому майданчику Дитина змушена приходити ззаду вперед, тому модель перестрибує теперішнє, щоб потрапити з минулого в майбутнє ".
Таким чином, модель бере інформацію, яку вона має з минулого та сучасного сегменту часу, для екстраполяції на наступний сегмент, а потім продовжує таким чином.
Як і розмір осередків сітки, менші періоди часу означають, що модель надає більш точну інформацію про клімат. Але це також означає більше арифметичних операцій на кожному кроці.
Наприклад, для розрахунку стану кліматичної системи для кожної хвилини цілого століття було б потрібно понад 50 мільйонів арифметичних операцій на клітинку мережі, порівняно з лише 36 500 операціями на день. Це досить широкий діапазон - так як же вчені вирішують, який крок часу використовувати?
Тут потрібно знайти компроміс, говорить Пол Вільямс:
"З математичної точки зору, правильним підходом буде зменшення періоду часу, поки моделювання не сходяться і результати більше не змінюються. Однак, як правило, нам бракує обчислювальних ресурсів для моделей з таким малим інтервалом часу. Тому ми змушені прийняти більший крок у часі, ніж ми ідеально бажали ".
Що стосується атмосферної складової кліматичних моделей, тимчасовий крок близько 30 хвилин представляється "розумним компромісом" між точністю та часом процесора, говорить Вільямс:
"Якщо інтервал коротший, вищої точності буде недостатньо, щоб виправдати додаткові обчислювальні зусилля. З кожним довшим інтервалом модель працює дуже швидко, але з втратою якості моделювання".
Резюме
Вчені перекладають основні фізичні рівняння клімату Землі в комп’ютерну модель, яка потім може імітувати, наприклад, циркуляцію Світового океану, цикл сезонів та кругообіг вуглецю між поверхнею суші та атмосферою. У своїй лекції на TED 2014 року Гевін Шмідт, директор Інституту космічних досліджень NASA Годдарда, показує, наскільки ефективні сучасні кліматичні моделі: вони імітують все - від випаровування вологи на земній поверхні до утворення хмар, куди б не носив їх вітер і де дощ нарешті зійде (див. пов’язані посилання). Кліматична модель, що працює з інтервалом у 30 хвилин, здатна створити уявлення про всю кліматичну систему протягом багатьох десятиліть чи навіть століть.
* Стаття є домашньою сторінкою Carbon Brief: "Q&A: Як працюють кліматичні моделі?" і є початком серії кількох авторів, яка була розміщена в мережі 15 січня 2018 року: https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work. Стаття, на яку поширюється ліцензія cc-by-nc-nd 4.0, редакційна команда переклала якомога дослівніше з англійської мови за погодженням із Carbon Brief та схвалила Carbon Brief.
Carbon Brief - веб-сайт Великобританії, що висвітлює останні розробки в галузі кліматичної науки, кліматичної політики та енергетичної політики. Сайт прагне надати чіткі статті та ілюстрації на основі даних, які допоможуть покращити розуміння зміни клімату з боку науки та політики. У 2017 році Carbon Brief був визнаний «Найкращим спеціалістичним сайтом з журналістики» на престижній премії Online Media Awards.
Пов’язані посилання
Інформація про Carbon Brief: https://www.carbonbrief.org/about-us
Встановлення заключної фази суперкомп'ютера Met Office (2017). Відео 1:51 хв. Стандартна ліцензія YouTube. https://www.youtube.com/watch?time_continue=18&v=q4uKS_wcfow
Гевін Шмідт, Нові закономірності зміни клімату. (2014). Відео 12:10 хв (німецькі субтитри) TED Talk; Стандартна ліцензія YouTube. https://www.youtube.com/watch?time_continue=66&v=JrJJxn-gCdo
Met Office Hadley Center: https://www.metoffice.gov.uk/climate-guide/science/science-behind-climate-change/hadley
Лабораторія динаміки геофізичної рідини: https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/
Пітер Лемке: Досьє: Погода та кліматична машина: http://www.klimafakten.de/klimawwissenschaft/dossier-die-wetter-und-klima.
Лід, море та клімат - розуміння нашої землі за допомогою полярних та морських досліджень. Відео 7:24 хв (2016). https://www.youtube.com/watch?v=tqLlmmkLa-s, Що нам потрібно зробити, щоб зрозуміти кліматичну систему Землі? Фільм показує, як Інститут Альфреда Вегенера постійно розшифровує земну систему за допомогою полярних та морських досліджень. Стандартна ліцензія YouTube.
Стаття в ScienceBlog
Пітер Лемке, 30 жовтня 2015 року: Як природа і людина впливають на клімат і як це впливає на енергетичний баланс Землі
Пітер Лемке: 6 листопада 2015 р .: Коливання клімату, зміна клімату - що далі?