Методическая разработка результатов исследования способов изучения прогнозирования климата. Доклад и презентация Цифровое моделирование климата.
методическая разработка

Цифровое моделирование климата.

     За всю историю Земли климат неоднократно менялся. С начала XX века ученые наблюдают повышение средней температуры поверхности земного шара. Этот климатический период известен как глобальное потепление. Многие ученые связывают потепление с антропогенным фактором, то есть промышленной деятельностью человека. Некоторые уверены, что имеет место некий естественный процесс, свойственный нашей планете. Одни пытаются найти ответ, изучая активность Солнца. Другие ссылаются на ледниковые периоды. Кстати сказать, ученым уже давно известно, что на чередование периодов потепления и похолодания влияют траектория вращения Земли вокруг Солнца и наклон земной оси. Ближайший ледниковый период наступит еще не очень  скоро, а вот с климатом на планете нужно что-то делать уже сегодня. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)  (рис №1)

Задача прогноза погоды и оценки будущих изменений климата.

       В историческом прошлом люди предсказывали погоду по народным приметам на короткий промежуток времени. Сейчас в эпоху суперкомпьютеров и искусственного интеллекта открываются фантастические возможности заглянуть  в будущее  Земли, узнать какой климат будет  в 2051  или 2100 годах. Фактически совершить путешествие в будущее в машине времени. Целью нашего исследования стал материал по моделирования климата,  который доступен для ознакомления в интернете.

 Как оказалось, задача прогноза погоды и оценки будущих изменений климата является одной из наиболее ресурсоемких вычислительных проблем современной науки. В основе её решения лежит численная реализация уравнений термогидродинамики атмосферы и океана, переноса тепла, массы и веществ в криосфере, деятельном слое суши и наземных экосистемах. Вычислительные блоки, отвечающие за различные группы процессов в климатической системе, разрабатываются отдельными научными группами. В Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ им. М.В. Ломоносова, сотрудники целой лаборатории создают и улучшают математические модели и пытаются спрогнозировать будущие изменения климата с помощью мощных суперкомпьютеров (рис №2). Решается целая цепочка вопросов от чисто научных, до сугубо технических. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) Главная особенность заключается в том, что приходится  иметь дело с огромным диапазоном пространственных масштабов. Например, необходимо учитывать планетарные процессы — пассаты, муссоны, крупнейшие течения Мирового океана. Помимо этого, существуют мельчайшие атмосферные вихри порядка 1 миллиметра. Смотри рисунок № 3. (рис №3) В итоге, приходится работать с диапазоном пространственных масштабов около 10 порядков. И как оказалось воспроизвести каждый из них в рамках одной математической модели в настоящий момент технически невозможно из-за того, что компьютеры необходимой мощности ещё не созданы. Ученые и специалисты по вопросам климата ищут возможности    особенностей — физических, фундаментальных особенностей движения атмосферы и океана, которые позволяют заметно упростить амбициозную задачу моделирования этих сред. Вертикальный размер атмосферы составляет около 10 километров. Именно здесь в тропосфере сосредоточена почти вся ее масса. При этом разница между горизонтальным и вертикальным масштабом очень велика, ведь длина экватора составляет около 40 тысяч километров.

Поэтому атмосферу и океан можно рассматривать как тонкие пленки, в которых происходят квазидвумерные течения. В рамках этого подхода становится возможным  воспроизвести грубые особенности глобальной циркуляции атмосферы (например, циклоны и антициклоны). Этот подход использовался  еще в 50-е, 60-е годы прошлого века. При этом, в настоящее время он не позволяет получить ту точность, которая предъявляется к прогнозу погоды и оценкам будущих изменений климата. Сегодня, используются трехмерные модели термогидродинамики атмосферы. Их применяют и в прогностических государственных службах, и в научно-исследовательских институтах. Глобальные модели прогноза погоды, которые рассчитывают погоду на всем земном шаре, имеют горизонтальное разрешение до 10 километров. Можно ожидать, что в ближайшие 10-20 лет появятся глобальные модели с километровым разрешением.

Другое направление посвящено добавлению новых физических процессов и новых физических объектов в модели климата и погоды. Например модели деятельного слоя суши, это является  неотъемлемой частью моделей прогноза погоды и климата. Суть в том, что суша очень неоднородная, в отличие от океана или атмосферы. На поверхности суши мы имеем огромное множество разных объектов: растительность, водные объекты, почву, снежный покров, ледниковые щиты и, конечно, объекты, построенные самим человеком — урбанизированные городские территории, связанные между собой процессами антропогенного и  технологического характера.   Как происходила и происходит эволюция моделей климата  показана на рисунке №4. (рис №4)

Модели прогноза климата.

Модели общей циркуляции (МОЦ) — это математические модели общей циркуляции атмосферы или океана, основанная на уравнениях Навье-Стокса на вращающейся сфере . Как сказано в Википедии: ”Уравне́ния Навье́ — Сто́кса — система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая движение вязкой ньютоновской жидкости. Уравнения Навье — Стокса являются одними из важнейших в гидродинамике и применяются в математическом моделировании многих природных явлений и технических задач. Названы по имени французского физика Анри Навье и британского математика Джорджа Стокса”.

 Эти уравнения являются базисом для комплексного компьютерного кода, использующегося для моделирования атмосферы или океанов Земли. Атмосферные и океанические МОЦ являются основными элементами глобальных климатических моделей, включающих также морской лёд и поверхность суши.  Как мы уже это видели на рисунке №5. рисунок №5.

Существуют как атмосферные, так и океанические модели общей циркуляции. Они могут быть связаны друг с другом и в этом случае такую модель называют совместная модель океана и атмосферы. Модель общей циркуляции представляет собой сложный программный комплекс, включающий, как правило, десятки модулей, сотни подпрограмм и гигабайты исходных данных. Модель состоит из нескольких блоков, ответственных за отдельные классы физических процессов. Основой любой модели является динамическое ядро — программный блок, описывающий движение воздушных масс (рис №5).

Прогнозы

Представленные выше результаты ансамблевых расчетов и моделирования будущих изменений климата на территории России с помощью региональной климатической модели ГГО высоким пространственным разрешением (25 км по всей территории России) мы можем видеть на рисунке №6.  https://cc.voeikovmgo.ru/ru/klimat/lf-hr (рис №6)

  Изменения климата (средние за 10 лет значения климатических характеристик) рассматриваются для начала (2030-2039 гг.), середины (2050-2059 гг.) и конца (2090-2099 гг.) XXI века, по отношению к базовому климатическому периоду 1990-1999 гг. Приводятся изменения температуры приземного воздуха и суммарных осадков. Работа выполнена при поддержке гранта Российского Научного Фонда (грант 16-17-00063). Рисунок №7. (рис№7)  Стоит обратить внимание. что на всей территории России в зимний период (2090-2099 гг.) отсутствуют отрицательные температуры. В Москве и Московской области в зимний период (2050-2059 гг.) вероятность появления отрицательных температур в зимнее время в три раза меньше чем положительных (рис №7).

Заключение

В заключении рассмотрим вопрос^ “Как можно внести свой вклад в составление долгосрочных прогнозов климата для планеты Земля?”.

Существует проект добровольных вычислений для прогноза изменений климата Земли в ближайшие 50 лет, который носит название “Climate Prediction” https://www.climateprediction.net/ (рис №8). Проект должен показать, насколько точны существующие методы долговременного предсказания изменений климата, и насколько сильно на их точность влияют вариации/неточности в исходных данных. Проект осуществляется с помощью запуска сотен тысяч немного отличающихся друг от друга исходными данными компьютерных моделей земного климата с использованием компьютерного времени обычных персональных компьютеров по всему миру. Участвовать в проекте может любой человек, обладающий подключённым к интернету персональным компьютером.

«Мы хотим исследовать небольшие изменения в общей модели, — говорит координатор проекта, доктор Дэйв Фрэйм из Оксфордского университета. — Единственный способ сделать это — провести очень много экспериментов, проверить все возможные варианты. То есть сделать то, что заняло бы у суперкомпьютера несколько тысяч лет. Но, решая это как распределённую задачу, мы можем сделать это гораздо быстрее».                                                                                                                                         

Литература                 

1. “Информационные ресурсы России” №1 2015. Использование распределительных вычислительных ресурсов для моделирования крупномасштабных экологических систем.                                 
2.  Как суперкомпьютер предсказывает будущее климата? Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)