Сè што секогаш сакавте да знаете за климатските модели - вовед ScienceBlog
Четврток, 19.04.2018 - 17:34 часот - Карбонски бриф Компјутерските модели се во срцето на истражувањето на климата. Ваквите модели се неопходни за разбирање на климата на Земјата: без разлика дали тие им помагаат на истражувачите да ги разјаснат циклусите на ледено доба, кои траат стотици илјади години или да направат прогнози за овој или следниот век. Британската платформа Carbon Brief дава информации за најновите достигнувања во климатските истражувања, климатската политика и енергетската политика во лесна за разбирање форма и објави серија написи во дискусии со климатски експерти кои одговараат на клучните прашања во врска со климатските модели Првиот дел од оваа серија се врти околу прашањето: Што е климатски модел? *
Што е модел на клима?
Глобален климатски модел е огромен. Обично, програмата во шифрирана форма е доволна за да пополни 18.000 печатени страници; Стотици научници работеле многу години за да создадат и подобрат ваква програма, а може да биде потребен џиновски компјутер со големина на тениско игралиште за да се спроведе.
Самите климатски модели доаѓаат во различни форми - од оние што покриваат само одреден регион на земјата или одреден дел од климатскиот систем до оние што симулираат атмосфера, океани, ледени маси и копнени области за целата планета.
Резултатите од ваквите модели го унапредуваат истражувањето на климата и им помагаат на научниците да разберат како човечките активности влијаат на климата на земјата. Таквиот напредок беше основа за одлуки за климатските политики на национално и меѓународно ниво во последните пет децении.
На многу начини, моделирањето на климата е само продолжение на временската прогноза, но се фокусира на промените што се случуваат со децении, наместо со часови. Всушност, Центарот Мет Офис Хедли во Велика Британија го користи истиот „Унифициран модел“ како основа за обете функции.
Огромната компјутерска моќ потребна за симулирање на времето и климата значи дека современите модели работат на огромни суперкомпјутери. На пример, трите нови суперкомпјутери Cray XC40 (видете ги поврзаните врски) во Центарот Мет Хедли можат заедно да извршат 14 000 трилиони аритметички операции во секунда.
Што точно се наоѓа во климатскиот модел?
Во основа, климатските модели користат равенки за да ги претстават процесите и интеракциите што ја водат климата на земјата. Овие равенки ги вклучуваат процесите во атмосферата, во океаните, на копно и области покриени со мраз на земјата.
Моделите се базираат на истите закони и равенки кои се основа за разбирање на физичките, хемиските и биолошките механизми во Земјиниот систем. На пример, научниците бараат климатските модели да ги почитуваат основните физички закони, како на пр
- закон за зачувување на енергијата (прв закон за термодинамика), кој вели дека во затворен систем енергијата не може да се создаде или изгуби, туку само се претвора од една во друга форма,
- законот Стефан-Болцман, кој го опишува топлинското зрачење на црното тело во зависност од неговата температура и со кој може да се објасни природниот ефект на стаклена градина, што ја прави површината на земјата 33 o C потопла отколку што инаку би била,
- Равенки за динамика во климатскиот систем - за зависност од температурата на воздухот и притисокот на водената пареа (равенка Клаузиус-Клапејрон),
- најважниот од овие закони, равенките Навие-Стоукс за проток на течности, кои ја запишуваат брзината (v), притисокот (p), температурата и густината (ρ) на гасовите во атмосферата и водата во океаните (Слика 1).
Сепак, овој сет на парцијални диференцијални равенки е толку сложен што не е познато точно решение за нив (освен во неколку едноставни случаи). Останува еден од најголемите математички предизвици (и има награда од милион долари за секој што може да докаже дека секогаш има решение). Наместо тоа, овие равенки се решаваат „нумерички“ во моделот, што значи дека тие се апроксимации.
Секој од овие физички принципи е преточен во математички равенки кои пополнуваат линија по линија на компјутерскиот код - со цел да се создаде глобален климатски модел, може да се создадат повеќе од 1 милион редови. Глобалните климатски модели често се запишуваат во „Фортран“, програмски јазик развиен од ИБМ во 1950-тите и е структуриран како човечки јазик. Мал извадок од кодот на моделот Met Office Hadley Center покажува како изгледаат ваквите линии (Слика 2). Кога моделот е стартуван, тој автоматски се преведува во машински код што компјутерот може да го разбере.
Многу други програмски јазици (на пример „Ц“, „Пајтон“, „Р“, „Матлаб“ и „ИДЛ“) сега се исто така достапни за истражување на климата, од кои некои работат побавно од Фортран. Фортран и „Ц“ денес обично се користат за брзо извршување глобален модел на компјутер.
Просторна резолуција
Равенките во програмскиот код ја опишуваат основната физика на климатскиот систем - од формирање и топење на морскиот мраз во водите на Арктикот до размена на гасови и влага помеѓу копнените површини и воздухот над.
Од средината на 70-тите години наваму, сè повеќе и повеќе климатски релевантни процеси беа вметнати во глобалните климатски модели. Слика 3 ја покажува зголемената сложеност на моделите до 4-от Извештај за проценка („AR4“) на Меѓувладиниот панел за климатски промени (IPCC) во 2007 година, при што ново додадените физички односи се симболизираат со слики.
Па, како може моделот да ги пресмета сите овие равенки?
Бидејќи климатскиот систем е многу сложен и компјутерските перформанси имаат свои граници, моделот не може да ги пресмета сите климатски релевантни процеси за секој кубен метар од климатскиот систем. Наместо тоа, ставате мрежа над површината на земјата и ја делите на серија кутии или „мрежни ќелии“. Глобален климатски модел може да се протега на десетици слоеви нагоре во атмосферата и надолу во длабочините на океаните. Како можете да го замислите ова во три димензии е прикажано на слика 4.
Моделот сега ја пресметува состојбата на климатскиот систем за секоја ќелија, земајќи ги предвид температурата, притисокот на воздухот, влажноста и брзината на ветерот.
За процесите што се одвиваат на помали размери од мрежната ќелија (на пример, конвекција), моделот користи „парамеризации“ - апроксимации што ги поедноставуваат процесите и им овозможуваат да бидат вклучени во моделот. (Параметеризациите ќе бидат опфатени во подоцнежното поглавје.)
Големината на клетките ја одредува просторната резолуција. Релативно груб климатски модел има ќелии кои се протегаат околу 100 км во правец на должини и ширини во средните географски ширини. Бидејќи земјата е сфера, клетките на екваторот се поголеми отколку на половите. Затоа, сè повеќе се користат алтернативни мрежи кои го немаат овој проблем (техники на икосаедална и мрежа на „коцкасти сфери“).
Модел со висока резолуција тогаш има повеќе и помали ќелии. Колку е поголема резолуцијата, толку се специфични климатски информации што ќе ги обезбеди моделот за одреден регион - бидејќи се потребни повеќе компјутерски операции, ова е на штета на подолго компјутерско време. Општо, зголемувањето на просторната резолуција за фактор два значи дека е потребна десет пати поголема компјутерска моќност за исто време на пресметување.
Како е подобрена просторната резолуција помеѓу 1-от извештај за проценка (ФАР 1990) и 4-от извештај за проценка (АР 4 2007) на ИПЦЦ е прикажано на слика 5. Станува јасно видливо како е создадена топографијата на површината на земјата.
Временска резолуција
Сличен компромис како и со просторната резолуција, исто така, мора да се направи со временската резолуција - т.е. колку често моделот ја пресметува состојбата на климата направена. Во реалниот свет, времето е континуирано, но моделот треба да го подели на делови со цел да ги направи пресметките податливи.
„Секој климатски модел го прави тоа на некој начин, најчестиот пристап е некаков метод на„ скокнување “, објаснува Пол Вилијамс, професор по истражување на атмосферата на Универзитетот во Ридинг.“ Како едно дете да скокне друго на некое игралиште Детето прави да доаѓа од назад напред, па моделот ја прескокнува сегашноста за да премине од минатото во иднината “.
Затоа, моделот ги зема информациите што ги има од минатиот и сегашниот временски период за да се екстраполира во следниот период, а потоа продолжува на овој начин.
Како и со големината на мрежните ќелии, пократки временски периоди значат дека моделот обезбедува поточни информации за климата. Но, тоа исто така значи повеќе аритметички операции во секој чекор.
На пример, за да се пресмета состојбата на климатскиот систем за секоја минута од целиот век, ќе бидат потребни повеќе од 50 милиони аритметички операции по мрежна ќелија, но само 36.500 операции на ден. Тоа е прилично голем опсег - па како научниците одлучуваат кој временски чекор да го користат?
Тука мора да најдете компромис, вели Пол Вилијамс:
"Од математичка гледна точка, правилен пристап ќе биде да се намали временскиот период додека симулациите не се приближат и резултатите повеќе да не се менуваат. Сепак, обично ни недостасуваат пресметковни ресурси за модели со толку мал временски интервал. Значи, ние сме принудени да прифатиме поголем временски чекор отколку што идеално сакавме “.
За атмосферската компонента на климатските модели, временскиот чекор од околу 30 минути се чини дека е „разумен компромис“ помеѓу точноста и времето на процесорот, вели Вилијамс:
„Ако интервалот е пократок, поголема точност не би била доволна за да се оправда дополнителниот компјутерски напор. Со секој подолг интервал, моделот би работел многу брзо, но со загуба на квалитетот на симулацијата“.
Резиме
Научниците ги преточуваат основните физички равенки на климата на Земјата во компјутерски модел кој потоа може да симулира, на пример, циркулација на океаните, циклус на сезони и јаглероден циклус помеѓу копнените површини и атмосферата. На своето предавање за ТЕД во 2014 година, Гевин Шмит, директор на Институтот за истражување на вселената Годард на НАСА, покажува колку се ефикасни денешните климатски модели: тие симулираат сè, од испарување на влагата на површината на земјата до формирање облаци, каде и да ги носи ветрот и каде конечно паѓа дождот (видете ги поврзаните врски). Климатски модел кој работи во 30-минутни интервали е во состојба да генерира репрезентација на целиот климатски систем во текот на многу децении, па дури и со векови.
* Написот е почетна страница на Carbon Brief: „З & У: Како функционираат климатските модели?“ и е почеток на серијалот од неколку автори што беше ставен на Интернет на 15 јануари 2018 година: https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work. Написот, кој е предмет на лиценца за cc-by-nc-nd 4.0, беше преведен како буквален збор од уредникот од англиски јазик со согласност на Carbon Brief и одобрен од Carbon Brief.
Карбон Бриф е веб-страница на Велика Британија која ги опфаќа најновите достигнувања во климатските науки, климатската политика и енергетската политика. Веб-страницата се обидува да обезбеди јасни статии и илустрации базирани на податоци за да помогне во подобрувањето на разбирањето на климатските промени од страна на науката и политиката. Во 2017 година, Карбон Бриф беше прогласен за „Најдобра специјалистичка страница за новинарство“ на престижните награди на Интернет.
Поврзани врски
Информации за Краток извештај за јаглерод: https://www.carbonbrief.org/about-us
Инсталација на завршна фаза на Суперкомпјутерот Met Office (2017). Видео 1:51 мин. Стандардна лиценца на YouTube. https://www.youtube.com/watch?time_continue=18&v=q4uKS_wcfow
Гавин Шмит, Појавените модели на климатски промени. (2014) Видео 12:10 мин (германски превод) TED Разговор; Стандардна лиценца на YouTube. https://www.youtube.com/watch?time_continue=66&v=JrJJxn-gCdo
Мет Офис центар Хедли: https://www.metoffice.gov.uk/climate-guide/science/science-behind-climate-change/hadley
Лабораторија за геофизичка флуидна динамика: https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/
Питер Лемке: Досие: Машина за време и клима: http://www.klimafakten.de/klimawwissenschaft/dossier-die-wetter-und-klima.
Мраз, море и клима - разбирање на нашата земја со поларни и морски истражувања. Видео 7:24 мин (2016). https://www.youtube.com/watch?v=tqLlmmkLa-s, Што треба да сториме за да го разбереме климатскиот систем на Земјата? Филмот покажува како Институтот Алфред Вегенер континуирано го дешифрира Земјиниот систем со поларни и морски истражувања. Стандардна лиценца на YouTube.
Напис во ScienceBlog
Питер Лемке, 30 октомври 2015 година: Како природата и луѓето влијаат на климата и како тоа влијае на енергетскиот биланс на земјата
Питер Лемке: 6 ноември 2015 година: Климатски флуктуации, климатски промени - што е следно?