Введение

Тип климатической модели

[[Файл:AtmosphericModelSchematic.png|thumb|right|350px|Климатические модели — это системы дифференциальных уравнений, основанные на фундаментальных законах физики, динамики жидкостей и химии. Для «запуска» модели ученые разделяют планету на трехмерную сетку, применяют основные уравнения и оценивают результаты. Атмосферные модели рассчитывают ветры, теплообмен, радиацию, относительную влажность и поверхностную гидрологию в каждой ячейке сетки, а также оценивают взаимодействие с соседними ячейками. Первая общая циркуляционная климатическая модель, объединяющая океанические и атмосферные процессы, была разработана в конце 1960-х годов в Лаборатории геофизической динамики жидкостей NOAA. AOGCM (атмосферно-океанические общие циркуляционные модели) представляют собой наивысшую степень сложности среди климатических моделей и включают в себя максимально возможное количество процессов. Однако они все еще находятся в разработке, и сохраняются неопределенности. Они могут быть связаны с моделями других процессов, таких как цикл углерода, для более точного моделирования эффектов обратной связи. Такие интегрированные многосистемные модели иногда называют «моделями земной системы» или «моделями глобального климата». Версии, предназначенные для климатических прогнозов на десятилетия и столетия, были первоначально созданы Сиукуро Манабе и Кирком Брайаном в Лаборатории геофизической динамики жидкостей (GFDL) в Принстоне, штат Нью-Джерси. Эти модели основаны на интегрировании различных уравнений динамики жидкостей, химии и, в некоторых случаях, биологии.

Терминология

Акроним GCM первоначально расшифровывался как General Circulation Model. В последнее время появилось второе значение – Global Climate Model (глобальная климатическая модель). Хотя это и не одно и то же, модели общей циркуляции атмосферы обычно используются для моделирования климата, поэтому эти два термина иногда употребляются как синонимы. Однако термин "глобальная климатическая модель" является неоднозначным и может обозначать как комплексную систему, включающую несколько компонентов, в том числе модель общей циркуляции, так и широкий класс климатических моделей, использующих различные методы для математического описания климата.

Атмосферные и океанические модели

Атмосферные (AGCM) и океанические GCM (OGCM) могут быть объединены для создания модели общей циркуляции атмосфера-океан (CGCM или AOGCM). С добавлением подмоделей, таких как модель морского льда или модель для транспирации и испарения с суши, AOGCM становятся основой для полноценной модели климата.

Сеть

Уравнения для AGCM дискретизируются с использованием метода конечных разностей или спектрального метода. Для метода конечных разностей на атмосферу накладывается сетка. Самая простая сетка использует постоянное угловое разрешение сетки (то есть сетку широт и долгот). Однако чаще используются непрямоугольные сетки (например, икосаэдрические) и сетки с переменным разрешением. Модель LMDz может быть настроена для обеспечения высокого разрешения над любой заданной областью планеты. HadGEM1 (и другие океанические модели) используют океаническую сетку с более высоким разрешением в тропиках для более точного моделирования процессов, которые, как считается, важны для Южного колебания Эль-Ниньо (ENSO). Спектральные модели обычно используют гауссову сетку из-за математических особенностей преобразования между спектральным и пространством точек сетки. Типичное разрешение AGCM составляет от 1 до 5 градусов по широте или долготе: например, HadCM3 использует разрешение 3,75 градуса по долготе и 2,5 градуса по широте, что дает сетку 96 x 73 точки (96 x 72 для некоторых переменных); и имеет 19 вертикальных уровней. Это приводит к примерно 500 000 «базовых» переменных, поскольку каждая точка сетки имеет четыре переменные (u, v, T, Q), хотя полный учет даст больше (облака; уровни почвы). HadGEM1 использует сетку с разрешением 1,875 градуса по долготе и 1,25 градуса по широте в атмосфере; HiGEM, вариант с высоким разрешением, использует соответственно 1,25 x 0,83 градуса. Эти разрешения ниже, чем обычно используются для прогнозирования погоды. Разрешение океанических моделей, как правило, выше, например, в HadCM3 на одну точку атмосферной сетки приходится 6 точек океанической сетки в горизонтальной плоскости. Для стандартной модели конечных разностей равномерные линии сетки сходятся к полюсам. Это может привести к вычислительной неустойчивости (см. условие CFL), поэтому переменные модели необходимо фильтровать вдоль линий широты вблизи полюсов. Океанические модели также подвержены этой проблеме, если не используется повернутая сетка, в которой Северный полюс смещается на близлежащую сушу. Спектральные модели не страдают от этой проблемы. В некоторых экспериментах используются геодезические и икосаэдрические сетки, которые (будучи более однородными) не имеют проблем с полюсами. Другой подход к решению проблемы разрешения сетки заключается в деформации картезианского куба таким образом, чтобы он покрывал поверхность сферы.

Буфер потока

Некоторые ранние версии AOGCM требовали применения специальной процедуры "коррекции потоков" для достижения стабильного климата. Это было связано с тем, что модели океана и атмосферы разрабатывались независимо и каждая из них использовала неявный обмен потоками с другим компонентом, отличный от того, который этот компонент мог бы обеспечить. Такие модели не соответствовали наблюдаемым данным. Однако, если потоки "корректировались", причины этих нереалистичных потоков могли оставаться незамеченными, что могло повлиять на чувствительность модели. В результате, подавляющее большинство моделей, используемых в текущем раунде отчетов МГЭИК, не применяют эту процедуру. Улучшения моделей, позволившие отказаться от коррекции потоков, включают усовершенствованную физику океана, повышенное разрешение как в атмосфере, так и в океане, а также более физически согласованное взаимодействие между подмоделями атмосферы и океана. Улучшенные модели теперь обеспечивают стабильное многовековое моделирование поверхностного климата, качество которого считается достаточным для использования в климатических прогнозах.

Конвекция

Влажная конвекция выделяет скрытую теплоту и играет важную роль в энергетическом балансе Земли. Конвекция происходит в масштабах, слишком малых для разрешения в климатических моделях, поэтому её необходимо описывать параметрически. Это делается с 1950-х годов. Значительный вклад в ранние исследования внес Акио Аракава, и варианты его схемы до сих пор используются, хотя в настоящее время применяется множество различных схем. Облака также обычно описываются параметрически, по той же причине – из-за недостаточной разрешающей способности моделей. Ограниченное понимание облаков сдерживало успех этой стратегии, однако это не связано с какими-либо принципиальными недостатками самого метода.

Программное обеспечение

Большинство моделей включают программное обеспечение для диагностики широкого спектра переменных с целью их сравнения с наблюдениями или изучения атмосферных процессов. Примером может служить температура на высоте 2 метров, которая является стандартной высотой для приземных наблюдений температуры воздуха. Эта температура не прогнозируется моделью напрямую, а вычисляется на основе температур поверхности и нижнего слоя модели. Другое программное обеспечение используется для создания графиков и анимаций.

Прогнозы

В XXI веке изменения глобальной средней температуры, по прогнозам, будут варьироваться по всему миру. Прогнозируемая среднегодовая температура воздуха на поверхности с 1970 по 2100 год, основанная на сценарии выбросов SRES A1B, с использованием климатической модели NOAA GFDL CM2.1 (источник: Геофизическая лаборатория гидродинамики NOAA). Связанные атмосферно-океанические общие циркуляционные модели (AOGCM) используют переходные климатические симуляции для прогнозирования изменений климата в различных сценариях. Это могут быть идеализированные сценарии (чаще всего, выбросы CO2 увеличиваются на 1% в год) или основанные на недавней истории (обычно "IS92a" или, в последнее время, сценарии SRES). Какие сценарии наиболее реалистичны, остается неопределенным. Рисунок 9.3 Третьего оценочного доклада МГЭИК 2001 года показывает глобальный средний отклик 19 различных связанных моделей на идеализированный эксперимент, в котором выбросы увеличивались на 1% в год. Рисунок 9.5 показывает отклик меньшего числа моделей на более поздние тенденции. Для 7 представленных климатических моделей изменение температуры к 2100 году варьируется от 2 до 4,5 °C, при медиане около 3 °C. Будущие сценарии не включают неизвестные события, такие как вулканические извержения или изменения в солнечном излучении. Считается, что эти эффекты незначительны по сравнению с воздействием парниковых газов (ПГ) в долгосрочной перспективе, но крупные вулканические извержения, например, могут оказывать существенное временное охлаждающее воздействие. Выбросы ПГ, вызванные деятельностью человека, являются входными данными для модели, хотя можно включить экономическую/технологическую подмодель для их определения. Уровни ПГ в атмосфере обычно задаются в качестве входных данных, однако можно включить модель углеродного цикла, учитывающую процессы в растительности и океане, для расчета этих уровней.

Сценарии выбросов

Прогнозируемое изменение среднегодовой температуры воздуха на поверхности от конца 20-го века до середины 21-го века, основанное на сценарии выбросов SRES A1B (источник: Лаборатория геофизической гидродинамики NOAA).

В 2008 году было проведено исследование с использованием нескольких сценариев выбросов для создания климатических прогнозов. В сценарии, где глобальные выбросы начинают снижаться к 2010 году и затем уменьшаются устойчивым темпом 3% в год, прогнозируемое повышение глобальной средней температуры к 2050 году составит 1,7 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем, а к 2100 году достигнет примерно 2 °C. В прогнозе, разработанном для моделирования будущего, в котором не предпринимаются усилия по сокращению глобальных выбросов, ожидаемое повышение глобальной средней температуры к 2100 году составит 5,5 °C. Повышение до 7 °C считалось возможным, хотя и менее вероятным. Другой сценарий без сокращения выбросов привел к медианному потеплению на суше (2090–2099 гг. по отношению к периоду 1980–1999 гг.) в 5,1 °C. При том же сценарии выбросов, но с использованием другой модели, прогнозируемое медианное потепление составило 4,1 °C.

Связь с прогнозом погоды

Глобальные климатические модели, используемые для климатических прогнозов, по структуре схожи с численными моделями прогнозирования погоды (и часто используют общий компьютерный код), но при этом логически различны. Большинство прогнозов погоды составляется на основе интерпретации результатов численных моделей. Поскольку прогнозы обычно охватывают несколько дней или неделю, а температура поверхности моря меняется относительно медленно, такие модели обычно не включают модель океана, а опираются на заданные значения SST. Им также необходимы точные начальные условия для запуска прогноза, которые, как правило, берутся из результатов предыдущего прогноза, скорректированных данными наблюдений. Прогнозы погоды требуют более высокого временного разрешения, чем климатические прогнозы – часто менее часа, в то время как для климата используются месячные или годовые средние значения. Однако, поскольку прогнозы погоды обычно охватывают около 10 дней, модели могут работать с более высоким вертикальным и горизонтальным разрешением, чем климатические модели. В настоящее время ECMWF работает с разрешением, в отличие от масштаба, используемого в типичных климатических моделях. Часто локальные модели запускаются с использованием результатов глобальных моделей в качестве граничных условий для достижения более высокого локального разрешения: например, Метеорологическое управление использует мезомасштабную модель с разрешением, охватывающую Великобританию, а различные агентства в США применяют такие модели, как NGM и NAM. Как и большинство глобальных моделей численного прогнозирования погоды, таких как GFS, глобальные климатические модели часто являются спектральными, а не сетчатыми моделями. Спектральные модели часто используются для глобальных моделей, поскольку некоторые вычисления в моделировании могут выполняться быстрее, что сокращает время работы.

Модели земной системы средней сложности (EMIC)

Модель Climber 3 использует 2,5-мерную статистическую динамическую модель с разрешением 7,5° × 22,5° и временным шагом в полдня. Океаническая подмодель – MOM 3 (Модульная океаническая модель) с сеткой 3,75° × 3,75° и 24 вертикальными уровнями.

Радиационно-конвективные модели (РКМ)

Одномерные радиационно-конвективные модели использовались для проверки фундаментальных климатических предположений в 1980-х и 1990-х годах.

Модели земной системы

ГМК могут входить в состав моделей системы Земли, например, путем сопряжения моделей ледяных щитов для описания динамики ледяных щитов Гренландии и Антарктиды, а также одной или нескольких моделей переноса химических веществ (CTM) для видов, важных для климата. Таким образом, модель переноса углеродных соединений может позволить ГМК более точно прогнозировать антропогенные изменения концентрации углекислого газа. Кроме того, такой подход позволяет учитывать межсистемные обратные связи: например, химико-климатические модели позволяют изучать влияние изменения климата на озоновую дыру.

История

В 1956 году Норман Филлипс разработал математическую модель, способную реалистично отображать месячные и сезонные закономерности в тропосфере. Она стала первой успешной климатической моделью. После работы Филлипса несколько групп приступили к созданию ГЦМ (GCM). Первая модель, объединившая океанические и атмосферные процессы, была разработана в конце 1960-х годов в Лаборатории геофизической динамики жидкостей NOAA. В 1996 году начались работы по моделированию типов почв и растительности. Впоследствии модель HadCM3 Центра прогнозирования и исследований климата Хэдли объединила океан и атмосферу в единую систему.