Введение

Проект добровольных вычислений на основе BOINC, занимающийся исследованием климатических моделей.

Проект использует платформу BOINC, в рамках которой добровольцы соглашаются выполнять определенные процессы проекта на стороне клиента, на своих персональных компьютерах, после получения задач с сервера для обработки. CPDN, который в основном поддерживается Оксфордским университетом в Англии, привлек больше вычислительных ресурсов и сгенерировал больше данных, чем любой другой проект по моделированию климата. На данный момент он произвел более 100 миллионов модельных лет данных. По состоянию на 2016 год, в проекте участвовало более 12 000 активных пользователей из 223 стран, накопивших в общей сложности более 27 миллиардов BOINC-кредитов и предоставляющих около 55 терафлопс (55 триллионов операций в секунду) вычислительной мощности.

Цели

Цель проекта climateprediction.net – исследовать неопределенности в различных параметризациях, используемых в современных климатических моделях. Модель запускается тысячи раз с незначительными изменениями различных физических параметров («большой ансамбль»), и проект анализирует, как меняются выходные данные модели. Эти параметры неизвестны точно, а изменения находятся в пределах субъективно считаемого правдоподобного диапазона. Это позволит проекту лучше понять чувствительность моделей к небольшим изменениям, а также к изменениям в циклах углерода и серы. В прошлом оценки изменения климата делались на основе одного или, в лучшем случае, небольшого ансамбля (десятки, а не тысячи) модельных прогонов. Президент CPDN, на встрече с директором операций Скоттом Гибсоном, подчеркнул серьезность проблемы. Сэв подчеркивает, что дефицит лекарств является одной из самых острых проблем организации, затрагивающей больницы, клиники и аптеки. Он указывает на негативное влияние на программы лечения пациентов, стандарты обслуживания клиентов и затраты на дистрибуцию. Директива Сэва Скотту оценить подход CPDN к управлению дефицитом сигнализирует о необходимости срочных действий. Используя компьютеры участников, проект сможет улучшить понимание и повысить уверенность в прогнозах изменения климата в большей степени, чем это возможно с использованием доступных ученым суперкомпьютеров. Эксперимент climateprediction.net призван помочь «улучшить методы количественной оценки неопределенности прогнозов и сценариев климата, включая долгосрочные ансамблевые симуляции с использованием сложных моделей», что было определено Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) в 2001 году как приоритетная задача. Надеемся, что эксперимент предоставит лицам, принимающим решения, более прочную научную основу для решения одной из самых серьезных глобальных проблем XXI века. Как показано на графике выше, различные модели демонстрируют довольно широкий диапазон результатов с течением времени. Для каждой кривой на крайнем правом краю имеется столбец, показывающий конечный температурный диапазон для соответствующей версии модели. Чем дальше модель распространяется в будущее, тем больше различия между ними. Примерно половина этих различий зависит от будущего сценария климатического воздействия, а не от неопределенности в модели. Любое уменьшение этих различий, будь то за счет более точных сценариев или улучшения моделей, приветствуется. climateprediction.net работает с неопределенностями моделей, а не со сценариями. В настоящее время ученые могут запускать модели и видеть, что x% моделей нагреваются на y градусов в ответ на z климатических воздействий, но не уверены, является ли x% хорошим представлением вероятности этого события в реальном мире. Некоторые модели хорошо, а другие плохо воспроизводят прошлый климат при заданных прошлых климатических воздействиях и начальных условиях (ретроспективный прогноз). Логично больше доверять моделям, которые хорошо воспроизводят прошлое, чем тем, которые делают это плохо. Следовательно, моделям, показывающим плохие результаты, будет присвоен меньший вес.

BOINC Slab Model – То же, что и классическая Slab Model, но выпущенная под лицензией BOINC.

ThermoHaline Circulation (THC) Model – Исследование того, как может измениться климат в случае ослабления термохалинной циркуляции. Эксперимент закрыт для новых участников, поскольку получено достаточно результатов. Это была четырехфазная модель общей продолжительностью 60 модельных лет. Первые три фазы были идентичны вышеупомянутым Slab Models. На четвертой фазе были учтены последствия замедления термохалинной циркуляции на 50% путем наложения изменений SST в северной Атлантике, полученных из других прогонов.

Sulfur Cycle Model – Исследование влияния сульфатных аэрозолей на климат. Эксперимент моделирует серу в различных соединениях, включая диметилсульфид и сульфатные аэрозоли. Эксперимент начался в августе 2005 года и являлся предварительным условием для Hindcast. Это пятифазная модель общей продолжительностью 75 модельных лет. Временные шаги примерно на 70% длиннее, что делает модель примерно в 2,8 раза длиннее, чем исходная Slab Model. Хотя некоторые модели все еще работают, новые прогоны не выпускаются с 2006 года.

Coupled Spin Up Model – Включение влияния океана в базовую модель более динамичным и реалистичным способом, чем в исходной Slab Model. Являлся предварительным условием для Hindcast. Эксперимент завершен и, как планировалось, не был опубликован для широкой публики. К участию были приглашены 200–500 самых быстрых компьютеров, поскольку это 200-летняя модель, и результаты были необходимы к февралю 2006 года для запуска переходной связанной модели.

Transient coupled Model – Состоит из 80-летнего Hindcast и 80-летнего прогноза. Hindcast предназначен для проверки того, насколько хорошо модели воспроизводят климат с 1920 по 2000 год. Был запущен в феврале 2006 года под брендом BBC Climate Change Experiment, а затем также выпущен с сайта CPDN.

Seasonal Attribution Project – Высокоразрешающая модель для одного модельного года, предназначенная для изучения экстремальных осадков. Этот эксперимент значительно короче из-за одного модельного года, но содержит в 13,5 раз больше ячеек, а временные шаги составляют всего 10 минут вместо 30 минут. Такое повышенное разрешение требует не менее 1,5 гигабайт оперативной памяти. Использует климатическую модель HadAM3 N144.

История

Майлз Аллен впервые задумался о необходимости больших климатических ансамблей в 1997 году, но с успехом SETI@home познакомился лишь в 1999 году. Первая заявка на финансирование, поданная в апреле 1999 года, была отклонена как совершенно нереалистичная. После презентации на Всемирной климатической конференции в Гамбурге в сентябре 1999 года и публикации комментария в журнале Nature в октябре 1999 года тысячи людей подписались на эту, как казалось, вот-вот доступную программу. Лопнувший пузырь доткомов не помог, и проект пришел к выводу, что большую часть программирования придется выполнять самостоятельно, вместо аутсорсинга. Запуск состоялся 12 сентября 2003 года, а уже 13 сентября 2003 года проект превзошел мощность Earth Simulator, став крупнейшим в мире центром моделирования климата. Запуск в 2003 году предлагал только "классический" клиент для Windows. 26 августа 2004 года был выпущен клиент BOINC, поддерживающий Windows, Linux и Mac OS X. "Классический" клиент останется доступным еще несколько лет для поддержки курса Открытого университета. BOINC прекратил распространение классических моделей в пользу моделей цикла серы. Более удобный для пользователя клиент BOINC и веб-сайт GridRepublic, поддерживающие climateprediction.net и другие проекты BOINC, были выпущены в бета-версии в 2006 году. Эксперимент по замедлению термохалинной циркуляции был запущен в мае 2004 года в рамках классической схемы, одновременно с выходом фильма "День послезавтра". Эту программу все еще можно запустить, но она больше не доступна для скачивания. Научный анализ был представлен в диссертации Ника Фолла. Статья на основе диссертации еще не завершена. Дальнейших исследований с этой моделью не планируется. Модель цикла серы была запущена в августе 2005 года. Ее завершение заняло больше времени, чем у исходных моделей, из-за наличия пяти фаз вместо трех. Каждый шаг по времени также был сложнее. К ноябрю 2005 года было получено 45 914 завершенных классических моделей, 3455 термохалинных моделей, 85 685 моделей BOINC и 352 модели цикла серы. Это составило более 6 миллионов модельных лет вычислений. В феврале 2006 года проект перешел к более реалистичным климатическим моделям. Был запущен эксперимент BBC по изменению климата, привлекший около 23 000 участников в первый же день. Переходная климатическая симуляция ввела реалистичные океаны. Это позволило эксперименту изучать изменения в климатической реакции по мере изменения климатических факторов, а не равновесный ответ на существенное изменение, такое как удвоение уровня углекислого газа. Поэтому эксперимент теперь перешел к ретроспективному анализу периода с 1920 по 2000 год, а также к прогнозу на период с 2000 по 2080 год. Эта модель требует значительно больше времени. BBC обеспечила проекту широкую огласку, в первые три недели в нем приняли участие более 120 000 компьютеров. В марте 2006 года была выпущена модель высокого разрешения в качестве отдельного проекта – Проект сезонной атрибуции. В апреле 2006 года в связанных моделях была обнаружена проблема с вводом данных. Работа оказалась полезной для другой цели, чем предполагалось. Пришлось распространять новые модели.

Результаты на сегодняшний день

Первые результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature в январе 2005 года и показали, что даже незначительные изменения параметров в пределах реалистичных диапазонов могут приводить к разбросу оценок чувствительности климата от менее 2 °C до более 11 °C. Более высокие значения чувствительности климата подверглись критике и были признаны маловероятными. Например, это мнение высказал Гэвин Шмидт, климатический моделировщик из Института космических исследований имени Годдарда НАСА в Нью-Йорке.

Пояснение

Климаточувствительность определяется как равновесный отклик средней глобальной температуры на удвоение концентрации углекислого газа. Текущая концентрация углекислого газа составляет около 420 ppm и увеличивается на 1,8 ppm в год по сравнению с доиндустриальным уровнем в 280 ppm. Климаточувствительность, превышающая 5 °C, широко признается как катастрофическая. Возможность таких высоких значений климаточувствительности, основанная на наблюдениях, была отмечена и ранее, до эксперимента climateprediction.net, но "это первый случай, когда модели общей циркуляции атмосферы (GCM) демонстрируют подобное поведение". При использовании внутренне согласованного представления причин расхождений в данных моделей для расчета функции плотности вероятности климаточувствительности, 5-й и 95-й процентили составляют 2,2 К и 6,8 К соответственно. Эти результаты, особенно верхняя граница, чувствительны к представлению источников расхождений в данных моделей.

Использование в образовании

Для школ доступен краткий курс Открытого университета, посвященный предметам, связанным с климатом и климатическим моделированием. Также имеются учебные материалы для использования на ступенях Key Stage 3/4 по естественным наукам, физике уровня A (продвинутой физике), математике Key Stage 3/4, географии Key Stage 3/4, курсу «Наука XXI века», курсу «Наука для широкой публики», курсу «Применение математики» и начальной школе.

Оригинальная модель

Оригинальный эксперимент проводится с HadSM3, который представляет собой атмосферу HadAM3 из модели HadCM3, но с использованием "слоевого" океана, а не полного динамического океана. Это быстрее (и требует меньше памяти), чем полная модель, но лишено динамических обратных связей с океаном, которые учитываются в полных связанных моделях океана и атмосферы, используемых для прогнозирования изменения климата до 2100 года. Каждая загруженная модель имеет незначительные вариации в различных параметрах модели. В начальной "фазе калибровки" продолжительностью 15 модельных лет модель вычисляет "коррекцию потоков" – дополнительные потоки между океаном и атмосферой, необходимые для поддержания баланса в модели океана (модель океана не включает течения; эти потоки в некоторой степени компенсируют тепло, которое переносилось бы отсутствующими течениями). В "контрольной фазе" продолжительностью 15 лет температура океана может изменяться. Коррекция потоков должна обеспечивать стабильность модели, однако в некоторых прогонах возникли обратные связи. Проводится контроль качества на основе среднегодовой температуры, и модели, не прошедшие этот контроль, отбрасываются. В "фазе удвоения CO2" содержание CO2 мгновенно удваивается, и модель запускается еще на 15 лет, чего в некоторых случаях недостаточно для достижения нового (более теплого) равновесия. На этом этапе некоторые модели, выдававшие физически нереалистичные результаты, были отброшены повторно. Контроль качества в контрольной и фазе 2*CO2 был недостаточно строгим: он позволяет исключить явно нефизические модели, но не включает (например) проверку моделирования сезонного цикла; следовательно, некоторые из прошедших моделей все еще могут быть нереалистичными. Разрабатываются дополнительные меры контроля качества. Температура в фазе удвоения CO2 экспоненциально экстраполируется для определения равновесной температуры. Разница температур между этой и контрольной фазами дает оценку климатической чувствительности данной версии модели.

Визуализации

Многие проекты добровольных вычислений используют заставки для визуального отображения активности приложения, но обычно не показывают результаты в процессе их вычисления. В отличие от climateprediction.net, который не только использует встроенную визуализацию для отображения моделируемого климата мира, но и предоставляет интерактивный интерфейс, позволяющий просматривать различные аспекты климата (температуру, количество осадков и т.д.). Кроме того, существуют другие, более продвинутые программы визуализации, позволяющие пользователям видеть больше информации о работе модели (обычно путем анализа ранее сгенерированных результатов) и сравнивать различные запуски и модели. Визуализация в реальном времени для модели, запущенной в 2003 году, была разработана Джереми Уолтоном из NAG, что позволяет пользователям отслеживать прогресс моделирования, наблюдая за изменениями облачного покрова и температуры на поверхности земного шара. К другим продвинутым программам визуализации относятся CPView и IDL Advanced Visualisation. Они обладают схожей функциональностью. CPView был написан Мартином Сайксом, участником эксперимента. IDL Advanced Visualisation был разработан Энди Хипсом из Университета Рединга (Великобритания) и модифицирован для работы с версией BOINC компанией Tesella Support Services plc. Только CPView позволяет просматривать нестандартные диагностические данные, а не только температуру, давление, количество осадков, снег и облачность. На карте можно отобразить до 5 наборов данных. Он также имеет более широкий набор функций, таких как Max, Min, дополнительные функции памяти и другие возможности. Advanced Visualisation предоставляет функции для построения графиков для локальных областей, а также графики за 1, 2 и 7 дней, наряду с более привычными графиками сезонных и годовых средних значений (доступными в обоих пакетах). Также имеются графики зависимости значений от широты и высоты, а также графики изменения во времени. Размер загрузки CPView значительно меньше, и он работает с Windows 98. По состоянию на декабрь 2008 года не существует инструмента визуализации, совместимого с новыми моделями CPDN. Ни CPView, ни Advanced Visualisation не были обновлены для отображения данных, собранных этими моделями. Таким образом, пользователи могут визуализировать данные только с помощью заставки.

Эксперимент Би-би-си по изменению климата

Эксперимент BBC по изменению климата был проектом BOINC, возглавляемым Оксфордским университетом при участии ряда партнеров, включая Метеорологическое управление Великобритании, BBC, Открытый университет и Университет Рединга. Он представлял собой переходную связанную модель проекта climateprediction.net. К проекту присоединилось множество участников, и более 120 000 человек зарегистрировались командами. Сбор результатов продолжался в течение некоторого времени, а в январе 2007 года вышла последующая телевизионная программа. 8 марта 2009 года climateprediction.net официально объявил об окончании Эксперимента BBC по изменению климата, после чего проект был закрыт.