Experience in Global and Regional Climate Modelling

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.141
Issue: № 4 (142), 2024
Suggested:
22.02.2024
Accepted:
01.04.2024
Published:
17.04.2024
199
3
XML
PDF

Abstract

The experience of conducting numerical experiments with coupled climatic models of atmospheric and oceanic general circulation is examined. The possibility of statistical analysis of the physical fields obtained as a result of modelling is provided. Comparison of these results with observational data and model calculations on different models. The influence of the Pacific Ocean surface pollution on the Pacific thermohaline circulation and regional climate is studied. There is a possibility of obtaining forecasts of global and regional dynamics of biosphere processes based on mathematical models of biogeochemical cycles, as well as obtaining forecasts of global warming based on various scenarios of anthropogenic and technogenic activities, including the limitations of the Paris Agreements, various options for limited implementation of the agreements, especially with the growth of energy production and increasing carbon dioxide emissions into the atmosphere.

1. Введение

Климатическая система Земли характеризуется сложным взаимодействием, обратной и примой связью ее элементов

. Модели общей циркуляции атмосферы и океана являются одними из наиболее мощных инструментов изучения климатической системы и ее изменчивости.

Моделирование климатических и биосферных процессов проводится на основе математического моделирования процессов в окружающей среде, применения методов исследования систем дифференциальных уравнений, а также численных методов их решения и использования современных компьютерных и информационных технологий

,
. Это направление развивается достаточно активно. В ведущих научных центрах разрабатываются и поддерживаются сложные и детальные глобальные климатические и биотические модели. Для этой работы используются самые мощные компьютеры в сочетании с персональными.

Численное моделирование, выполняемое с использованием таких моделей, требует значительных вычислительных затрат. Это связано с тем, что на каждом временном шаге необходимо определять огромное количество трехмерных физических полей в качестве решения систем нелинейных уравнений в частных производных, а также с тем, что для получения статистически значимых численных результатов требуется очень длительный период моделирования. Многопроцессорные компьютеры являются естественными инструментами моделирования климата. Параллельное выполнение вариантов модели климата показало, что эффективность параллельного кода на большом количестве процессоров снижается. Другими словами, программа «плохо масштабируется» с увеличением количества процессоров. Одной из целей работы является анализ компонентов алгоритма моделей и их параллельной производительности в зависимости от эффективности вычислений, нахождение узких мест, которые мешают эффективности параллельного алгоритма, и использование лучших алгоритмов и более эффективной параллельной стратегии выполнения, для увеличения скорости работы моделей на параллельных вычислительных системах

,
.

Современные глобальные климатические и биосферные модели также требуют чрезвычайно больших вычислительных мощностей и для адекватного описания соответствующих процессов с учетом роста числа блоков, представляющих элементы климатической системы, уменьшения размеров расчетной сетки, больших интервалов интегрирования уравнений. Предложенные методы совместного моделирования климата и биосферы способствуют новому пониманию сложных процессов, как глобальных, так и региональных

.

Моделирование климата и прогнозирование климата на основе математического моделирования является важным вопросом

. Современный период в этой области характеризуется развитием математических основ моделирования, а именно переходом от моделей океана и атмосферы к моделям общей циркуляции, а также развитием вычислительных методов, основанных на алгоритмах параллельного программирования. Сложность численных экспериментов в совместной модели определяется во многом необходимостью их проведения на длительные периоды времени и с различными начальными условиями, что требует значительных вычислительных затрат и времени счета.

В методике моделирования глобального и регионального климата реализуется  следующий план исследований:

• разработка совместной глобальной модели термохалинной циркуляции океана и модели общей циркуляции атмосферы;

• сбор и подготовка данных для численного моделирования для воспроизведения чувствительности климата с помощью модели глобального климата;

• планирование вычислительных экспериментов, исследования моделей для получения прогнозов процессов глобальной динамики, в том числе глобального потепления, на основе различных сценариев антропогенно-техногенной деятельности, в том числе Парижского соглашения и различных вариантов его неполной реализации, а также реализации новых сценариев;

• подготовка оценок стабильности биосферы и климата на основе возможных различных сценариев;

• исследование влияния загрязнения океана на климат и биосферные процессы;

• разработка и внедрение совместных моделей климата и биогеохимических циклов для интерактивных процессов транспорта и обмена CO2 океан-атмосфера-наземные экосистемы.

2. Описание комплекса моделей и некоторые результаты

В ходе реализации плана исследований разработаны и внедрены новые версии глобальных климатических моделей. Модель океанского блока построена на основе пространственных термохалинных (описывающих циркуляцию, обусловленную распределением температуры и солености) уравнений с добавлением в уравнения горизонтального импульса члена линейного трения

,
. Температура и соленость удовлетворяют индивидуальным уравнениям адвекции-диффузии. Процедура также учитывает конвективное приспособление.

Для описания процессов в атмосфере в разных вариантах расчетов использована одна из двух моделей. Первая – это модель общей циркуляции атмосферы

. Вторая — двумерная энерго-влаго балансовая модель. Прогностическими переменными в ней являются температура атмосферы и удельная влажность вблизи подстилающей поверхности. Динамические уравнения модели морского льда решаются относительно его сплоченности и средней толщины льда. Такая постановка задачи дает возможность проводить расчеты на тысячи лет с учетом эволюции глубокого океана
.

Как вариант использования комплекса моделей изучено влияние загрязнения северных областей поверхности Тихого океана на термохалинную циркуляцию и региональный климат.

Из литературных источников следует

, что из антропогенного мусора образуются целые континенты в океане — там, где существует круговая циркуляция течений. Полоса «мусорного супа» тянется от точки примерно в 500 морских милях от побережья Калифорнии через северную часть Тихого океана мимо Гавайев и едва не достигает отдаленной Японии (рис. 1).

Круговые течения в Тихом океане, ограничивающие «мусорное пятно»

Рисунок 1 - Круговые течения в Тихом океане, ограничивающие «мусорное пятно»

Гигантская площадь «мусорного супа» способна изменить альбедо поверхности океана. Но дело не только во вкладе мусорных континентов в альбедо планеты. Существует еще проблема испарения. Наличие мусора ведет к резкому перегреву поверхности океана. Мусор ограничивает путь излучения в воде сантиметрами, тогда как обычно излучение распределяется в слое, глубиной в несколько десятков метров. Такая концентрация энергии приведет к значительному увеличению испарения в областях мусорных островов.

Эта ситуация была исследована на климатической модели. Были изучены несколько вариантов описания этого эффекта. В численном эксперименте здесь предполагается, что температура поверхности океана увеличена на 10% в формуле, описывающей испарение с поверхности океана в области, соответствующей рисунке 1. Это привело к увеличению испарения с поверхности океана и понижению температуры поверхности в этой области в пределах 2оС (рис. 2). При этом несколько изменяется и вертикальная термохалинная циркуляция в северной области Тихого океана (рис. 3).

Изменение вертикальной термохалинной циркуляции в северной области Тихого океана при наличии загрязнений

Рисунок 2 - Изменение вертикальной термохалинной циркуляции в северной области Тихого океана при наличии загрязнений

Изменение температуры поверхности при наличии загрязнений океана

Рисунок 3 - Изменение температуры поверхности при наличии загрязнений океана

3. Заключение

Разработанные модели предполагается также использовать для ансамбля расчетов по оптимизации параметров модели и исследования зависимости результатов от исходных данных

. Применена также модель переноса углекислого газа в атмосфере с использованием результатов климатической модели и пространственной модели производственного процесса наземных экосистем в сезонном режиме
. На основе применения системы глобальных моделей биогеохимических циклов имеется возможность получения прогнозов глобальной и региональной динамики биосферных процессов, а также прогнозов глобального потепления при различных сценариях антропогенно-техногенной деятельности, особенно при росте производства энергии и увеличении выбросов парниковых газов в атмосферу.

Article metrics

Views:199
Downloads:3
Views
Total:
Views:199