Индивидуальный проект математическое моделирование климата планеты земля. Моделирование климатических процессов

Введение

Центральной проблемой современной теории климата является проблема предсказания изменений климата, вызванных антропогенной деятельностью. В силу специфических особенностей климатической системы, которые будут обсуждены ниже, эта проблема не может быть решена традиционными методами, многократно опробованными в естественных науках. Можно констатировать, что главной методологической основой решения данной задачи является в настоящее время численное моделирование климатической системы с помощью глобальных климатических моделей, основой которых являются глобальные модели общей циркуляции атмосферы и океана. Естественно, что формулирование моделей климата требует проведения натурных экспериментов, анализ результатов которых позволяет формулировать все более точные модели конкретных физических процессов, определяющих динамику климатической системы. Однако, такие эксперименты не решают главной задачи - определение чувствительности реальной климатической системы к малым внешним воздействиям.

Климатическая система и климат

Под климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, создающие типичный режим температуры, увлажнения, циркуляции атмосферы. При этом под "типичными" понимаются те черты, которые сохраняются практически неизменными на протяжении одного поколения, т.е. порядка 30 – 40 лет. К числу этих черт относятся не только средние значения, но и показатели изменчивости, такие, как, например, амплитуда колебаний температуры. Имея дело со столь продолжительными по времени процессами, невозможно рассматривать климат какой-то местности изолированно. За счет теплообмена и циркуляции воздуха вся планета принимает участие а его формировании. Поэтому естественно употреблять понятие климат планеты Земля, Особенности климата отдельных регионов – это преломление общих закономерностей в конкретной обстановке. Так что не столько глобальный климат складывается из местных климатов, сколько местные определяются глобальным. И погода, не изменения климата определяются явлениями, происходящими ее только в атмосфере, но и в других геосферах. На атмосферу не только влияют, но и зависят от нее океан, растительность, снежно-ледниковый покров, почва и далее человеческая деятельность. Итак, в климатическую систему входят атмосфера, а также процессы и свойства других элементов географической оболочки, которые влияют на атмосферу и зависят от нее. Внешние явления в отличие от внутренних влияют на атмосферу, но не зависят от нее. Такова, например, приходящая из космоса радиация.

Особенности климатической системы как физического объекта

Климатическая система как физический объект обладает рядом специфических особенностей.

1. Главные компоненты системы - атмосфера и океан - с геометрических позиций можно рассматривать как тонкие пленки, поскольку отношение вертикального масштаба к горизонтальному составляет величину порядка 0.01 - 0.001. Таким образом, система квазидвумерна, однако, вертикальная стратификация по плотности очень важна, и крупномасштабные вертикальные движения ответственны за бароклинные преобразования энергии. Характерные временные масштабы энергозначимых физических процессов лежат в диапазоне от 1 часа до десятков и сотен лет. Все это приводит к тому, что лабораторное моделирование такой системы, мягко говоря, крайне затруднительно.

2. С климатической системой нельзя поставить целенаправленный физический эксперимент. Действительно, мы не можем накачать климатическую систему, например, углекислым газом и, сохраняя прочие равные условия, измерить полученный эффект.

3. В нашем распоряжении имеются лишь короткие ряды данных наблюдений, да и то лишь об отдельных компонентах климатической системы. Конечно, имеется еще много других важных особенностей климатической системы, которые следовало бы рассмотреть, однако, даже перечисленные выше позволяют сделать вывод, что главным средством исследования климатической системы является математическое моделирование. Опыт последних лет показывает, что основные результаты теории климата были получены на основе построения и использования глобальных климатических моделей.

Математические модели климатической системы

В данном разделе мы кратко обсудим, на каких основных положениях базируется построение современных климатических моделей. Современные модели климата - это модели, в основе которых лежит современная модель общей циркуляции атмосферы и океана, причем центральным направлением их развития является все более точное описание всех физических процессов, участвующих в формировании климата. В основу построения современных моделей климата положен ряд принципов. Принимается, что локально справедливы уравнения классической равновесной термодинамики. Предполагается далее, что для описания динамики атмосферы и океана справедливы уравнения Навье-Стокса для сжимаемой жидкости. Поскольку в современных моделях в силу, главным образом, вычислительных возможностей используются уравнения Рейнольдса - осредненные по некоторым пространственным и временным масштабам уравнения Навье- Стокса, то считается, что существует принципиальная возможность их замыкания. Процедура замыкания предполагает, что эффекты процессов подсеточных масштабов (масштабов меньших, чем масштаб осреднения) могут быть выражены через характеристики процессов крупных масштабов. К этим процессам относятся:

1) перенос излучения (коротковолновой и длинноволновой радиации);

2) фазовые переходы влаги и процесс локального осадкообразования;

3) конвекция;

4) пограничные и внутренние турбулентные слои (некоторые характеристики этих слоев описываются явно);

5) мелкомасштабная орография;

6) волновое сопротивление (взаимодействие мелкомасштабных гравитационных волн с основным потоком);

7) мелкомасштабная диссипация и диффузия;

8) мелкомасштабные процессы в деятельном слое суши.

Наконец, для описания крупномасштабных атмосферных и океанических движений справедливо приближение гидростатики: вертикальный градиент давления уравновешивается силой тяжести. Использование такого приближения требует дополнительных упрощений (постоянный радиус Земли, пренебрежение составляющими силы Кориолиса с вертикальной компонентой скорости) с тем, чтобы в системе уравнений при отсутствии внешних источников энергии и диссипации выполнялся закон сохранения энергии. Уравнения гидротермодинамики атмосферы и океана, замыкания процессов подсеточных масштабов и краевые условия.

I. Глобальная теорема разрешимости на любом, как угодно большом, промежутке времени t.

К сожалению, в сферической системе координат с "правильными" краевыми условиями такой теоремы в настоящее время нет, что не есть следствие отсутствия таких теорем для трехмерных уравнений Навье-Стокса. Уравнения современных климатических моделей имеют "2.5" - размерность, поскольку вместо полного третьего уравнения движения используется уравнение гидростатики.

II. Существование глобального аттрактора.

Это утверждение доказано при условии, что S - строго положительно-определенный оператор:

(Sϕ ϕ) ≥ µ(ϕ,ϕ), µ >0

Проблема заключается в том, что в общем случае этого написать нельзя, поскольку уравнение неразрывности для сжимаемой жидкости не диссипативно.

III. Размерность аттрактора.

Конструктивные оценки размерности аттракторов для моделей этого класса очень грубы. Они представляют собой оценки сверху, которые, вообще говоря, непригодны для теории, рассмотренной в предыдущем разделе.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На студенческую научную конференцию ОГЭКУ

«Анализ климатических моделей при помощи физических методов»

Сделала ст.гр. ВБ-11

Смокова В.Д.

Научный руководитель:д.т.н.

Романова Р.И.

Одесса-2015

Список литературы:

http://umeda.ru/concept_climate

http://www.inm.ras.ru/vtm/lection/direct2/direct2.pdf

Володин Е.М., Дианский Н.А. Отклик совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана на увеличение содержания углекислого газа.

Володин Е.М., Дианский Н.А. Моделирование изменений климата в 20 – 22 столетиях с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана.

Грицун А.С., Дымников В.П. Отклик баротропной атмосферы на малые внешние воздействия. Теория и численные эксперименты.

Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М., Галин В.Я., Глазунов А.В., Грицун А.С., Дианский Н.А., Толстых М.А., Чавро А.И. Моделирование климата и его изменений. – В: «Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования»,

Особенный рост интереса к изменению климата отмечается с конца прошлого столетия. Связано это с нарастанием изменений в природе, очевидным уже на уровне простого обывателя. Насколько эти изменения обусловлены естественными процессами, а насколько связаны с деятельностью человека? Сегодня разобраться в этом нам поможет беседа со специалистами — ведущими научными сотрудниками Института вычислительной математики РАН. Евгений Володин и Николай Дианский, с которыми мы сегодня беседуем, занимаются в институте моделированием климата и являются российскими участниками Международной группы экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change , IPCC).

— Какие факты глобального изменения климата отражены в исследованиях и включены в четвертый оценочный доклад?

— Мы все даже на бытовом уровне ощущаем последствия глобального потепления — так, например, зимы стали теплее. Если же обратиться к научным данным, то и они показывают, что 11 из 12 последних лет являются самыми теплыми за весь период инструментальных наблюдений за глобальной температурой (с 1850 г.). За последнее столетие изменение средней глобальной температуры воздуха составило 0,74°С, причем линейный тренд температуры в последние 50 лет почти вдвое превышал соответствующее значение для столетия. Если говорить о России, то зимние месяцы на большей части нашей страны за последние 20 лет были в среднем на 1-3 градуса теплее, чем зимы в предыдущее двадцатилетие.

Изменение климата не означает простое повышение температуры. Под устоявшимся термином «глобальное изменение климата» понимают перестройку всех геосистем. А потепление рассматривают лишь как один из аспектов изменений. Данные наблюдений свидетельствуют о повышении уровня Мирового океана, таянии ледников и вечной мерзлоты, усилении неравномерности выпадения осадков, изменении режима стока рек и других глобальных изменениях, связанных с неустойчивостью климата.

Значимые изменения произошли не только в средних климатических характеристиках, но и в изменчивости и экстремальности климата. Палеоклиматические данные подтверждают необычность происходящих климатических изменений, по крайней мере, для последних 1300 лет.

— Как составляется научный прогноз климата? Как строятся климатические модели?

— Одной из важнейших в современной климатологии является задача предсказания изменений климата в ближайшие столетия. Сложный характер процессов, происходящих в климатической системе, не допускает использования экстраполяции прошлых тенденций или статистических и прочих чисто эмпирических методов для получения перспективных оценок. Необходимо строить сложные модели климата для получения таких оценок. В подобных моделях специалисты стараются учесть все процессы, влияющие на погоду и климат, наиболее полным и точным способом. Более того, объективность прогнозов повышается, если использовать несколько разных моделей, поскольку каждая модель имеет свои особенности. Поэтому в настоящее время проводится международная программа по сравнению прогнозов изменений климата, полученных с помощью различных моделей климата по сценариям, предложенным МГЭИК, возможных будущих изменений содержания в атмосфере парниковых газов, аэрозолей и других загрязняющих веществ. Институт вычислительной математики Российской академии наук (ИВМ РАН) участвует в этой программе. Всего в ней затронуты около двух десятков моделей из разных стран, где области науки, необходимые для создания таких моделей, получили достаточное развитие: из США, Германии, Франции, Великобритании, России, Австралии, Канады, Китая...

Главными компонентами модели климата Земли являются модели общей циркуляции атмосферы и океана — так называемые совместные модели. При этом атмосфера служит главным «генератором» изменений климата, а океан — основным «накопителем» этих изменений. Созданная в ИВМ РАН модель климата воспроизводит крупномасштабную циркуляцию атмосферы и Мирового океана в хорошем соответствии с данными наблюдений и с качеством, не уступающим современным климатическим моделям. Главным образом это достигается за счет того, что при создании и настройке моделей общей циркуляции атмосферы и океана удалось добиться того, что эти модели (в автономном режиме) достаточно хорошо воспроизводят климатические состояния атмосферы и океана. Более того, прежде чем приступать к прогнозированию будущих изменений климата, наша климатическая модель, так же, как и другие, верифицировалась (проще говоря, проверялась) на воспроизведении прошедших изменений климата с конца XIX века по настоящее время.

— И каковы результаты моделирования?

— Нами было проведено несколько экспериментов по сценариям МГЭИК. Наиболее важные из них три: условно говоря, это пессимистический сценарий (А2), когда человеческое сообщество будет развиваться, не обращая внимания на окружающую среду, умеренный (А1В), когда будут накладываться ограничения типа Киотского протокола, и оптимистический (В1) — с еще более сильными ограничениями антропогенного воздействия. Причем по всем трем сценариям предполагается, что объемы сжигания топлива (а следовательно, и выбросы углерода в атмосферу) будут расти, только более или менее быстрыми темпами.

Согласно пессимистическому, самому «теплому» сценарию, среднее потепление у поверхности в 2151-2200 гг. по сравнению с 1951-2000 гг. составит около 5 градусов. При более умеренном развитии оно составит около 3 градусов.

Значительное потепление климата произойдет и в Арктике. Даже по более оптимистичному сценарию во второй половине XXI века температура в Арктике вырастет примерно на 10 градусов по сравнению со второй половиной XX века. Не исключено, что уже менее чем через 100 лет полярные морские льды будут сохраняться лишь зимой, а летом будут таять.

В то же время, согласно нашей и другим моделям, в ближайшем столетии интенсивного роста уровня океана наблюдаться не будет. Дело в том, что таяние материковых льдов Антарктиды и Гренландии будет в сильной степени скомпенсировано увеличением выпадения снега в этих регионах, связанным с увеличением осадков при потеплении. Основной вклад в повышение уровня океана должно давать расширение воды при повышении температуры.

Результаты экспериментов с моделью климатической системы ИВМ РАН по прогнозированию изменений климата вместе с результатами по другим зарубежным моделям вошли в отчет МГЭИК, удостоенный совместно с А. Гором Нобелевской премии мира 2007 г.

Следует отметить, что к настоящему времени только результаты, полученные с помощью модели климата ИВМ, представлены от России в четвертом отчете МГЭИК.

— Говорят, что европейская погода рождается в Атлантике — это действительно так?

— Погодные события, происходящие над Северной Атлантикой, безусловно, сильно влияют на Европу. Это происходит потому, что в умеренных широтах от поверхности Земли до 15-20 км в основном ветер дует с запада на восток, т. е. воздушные массы приходят в Европу чаще всего с запада, с Атлантики. Но это происходит не всегда, и вообще выделить какое-либо одно место, где полностью формируется европейская погода, нельзя.

Европейская погода как явление крупномасштабное формируется общим состоянием атмосферы Северного полушария. Естественно, Атлантика занимает в этом процессе значительное место. Однако здесь более важно не собственная изменчивость (отклонение от годового хода) циркуляционных океанических процессов в Северной Атлантике, а то, что атмосфера как существенно более изменчивая среда использует Северную Атлантику в качестве энергетического резервуара для формирования собственной изменчивости.

Здесь мы переходим от предсказания и моделирования климата к предсказанию и моделированию погоды. Надо разделить эти две проблемы. В принципе и для той и для другой задачи используются примерно одни и те же модели, описывающие динамику атмосферы. Различие состоит в том, что для предсказания погоды очень важны начальные условия модели. Их качество во многом определяет и качество прогноза.

При моделировании изменений климата на срок от нескольких десятилетий до нескольких столетий и тысячелетий начальные данные не играют такой важной роли, а важную роль играет учет тех внешних по отношению к атмосфере воздействий, благодаря которым происходит изменение климата. Такими воздействиями может быть изменение концентрации парниковых газов, заброс в атмосферу вулканических аэрозолей, изменение параметров земной орбиты и т. д. В нашем институте разрабатывается одна из таких моделей для Росгидромета.

— Что можно сказать об изменении климата на территории России? Чего особенно следует опасаться?

— В целом в результате потепления климат средней полосы России в некоторой степени даже улучшится, однако на юге России за счет увеличения засушливости ухудшится. Большая проблема возникнет из-за таяния вечной мерзлоты, территории которой занимают значительные площади.

В России при расчете потепления по любому сценарию температура будет расти примерно в два раза быстрее, чем в среднем по Земле, что подтверждается и данными других моделей. Кроме того, согласно данным нашей модели, зимой в России потеплеет сильнее, чем летом. Например, при среднеглобальном потеплении на 3 градуса в России потепление составит 4-7 градусов в среднем за год. При этом летом потеплеет на 3-4 градуса, а зимой на 5-10 градусов. Зимнее потепление в России будет связано в том числе и с тем, что немного изменится циркуляция атмосферы. Интенсификация западных ветров будет приносить больше теплых атлантических воздушных масс.

— Каков вывод МГЭИК и, в частности, отечественных ученых относительно антропогенного вклада в изменение климата?

— Исторический опыт показывает, что любое вмешательство в природу не проходит безнаказанно.

В докладе МГЭИК подчеркивается, что наблюдаемое в последние десятилетия потепление является в основном следствием влияния человека и не может быть объяснено одними естественными причинами. Антропогенный фактор, по крайней мере, в пять раз превышает эффект колебаний солнечной активности. Степень достоверности этих выводов, основанных на новейших результатах анализа данных наблюдений, оценивается как очень высокая.

Результаты нашего моделирования также убедительно демонстрируют доминирующую роль антропогенного вклада. Модели климата хорошо воспроизводят наблюдающееся потепление, если учитывают эмиссии парниковых и других газов вследствие деятельности человека, и не воспроизводят потепления, если учитывают только естественные факторы. Иными словами, модельные эксперименты демонстрируют, что без «вклада» человека климат не поменялся бы до сегодняшних величин.

Уточним, что современные модели климата включают также и расчет концентрации СО 2 . Такие модели показывают, что естественные колебания концентрации СО 2 в климатической системе на временных масштабах от столетий и меньше не превосходят нескольких процентов. Об этом же говорят и имеющиеся реконструкции. В последние несколько тысяч лет доиндустриальной эры концентрация СО 2 в атмосфере была стабильной и колебалась от 270 до 285 ppm (частей на миллион). Сейчас же она составляет около 385 ppm. Расчеты с моделями, а также оценки по данным измерений показывают, что, наоборот, климатическая система стремится скомпенсировать выбросы СО 2 , и лишь примерно половина или чуть больше всех выбросов идет на увеличение концентрации СО 2 в атмосфере. Оставшаяся половина растворяется в океане и идет на увеличение массы углерода растений и почв.

— Как, по вашему мнению, будут развиваться климатические прогнозы?

— Климатическая система очень сложна, а человечеству нужен достоверный прогноз. Все разработанные к настоящему времени модели имеют свои недостатки. Международное научное сообщество выбрало из существующих около двух десятков наиболее успешных моделей, путем сравнения которых выдается обобщенный прогноз. Считается, что ошибки различных моделей в этом случае компенсируются.

Моделирование — сложнейшая задача и большой труд. В расчеты закладывается множество параметров, учитывающих процессы переноса, взаимодействия атмосферы и океана. Сейчас в нашем институте делается новая версия модели. Например, существует проблема вблизи полюса, где из-за схождения меридианов измельчаются шаги вдоль долготы, что приводит к неоправданному «шуму» в модельном решении. В новой модели будет применено более высокое пространственное разрешение в моделях атмосферы и океана и более продвинутая параметризация физических процессов. За счет этого увеличится точность моделирования, и по этой модели нового уровня будет сделан новый прогноз.

Почему-то в нашей стране проблемам моделирования уделяется намного меньше внимания, чем на Западе, где значительные финансовые и научные ресурсы выделяются именно на задачи создания численных моделей циркуляции атмосферы и океана. Эти задачи требуют высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных комплексов (использующийся для целей прогнозирования климата суперкомпьютер ИВМ входит в рейтинг ТОР-50 стран СНГ). Наши работы были поддержаны только некоторыми программами РАН и проектами Российского фонда фундаментальных исследований.

В ближайшее время начинается новый этап экспериментов с совместными моделями по программе МГЭИК. На этом этапе будут принимать участие обновленные модели климата Земли с более высоким пространственным разрешением и включением более широкого спектра моделируемых физических процессов. Модели климата постепенно перерастают в модели земной системы в целом, которые уже не только рассчитывают динамику атмосферы и океана, но и включают в себя детальные подмодели химии атмосферы, растительности, почвы, химии и биологии моря и других процессов и явлений, влияющих на климат.

Модель климата представляет собой математическую модель климатическая системы.

Модель климатической системы должна включать формализованное описание всех ее элементов и связей между ними. Основу составляет термодинамическая конструкция, базирующаяся на математических выражениях законов сохранения (импульса, энергии, массы, а также водяного пара в атмосфере и пресной воды в океане и на суше). Этот макроблок климатической модели позволяет учесть приход извне энергии и рассчитать результирующее состояние климата планеты.

Моделирование термодинамических процессов является необходимым, но не достаточным условием для обеспечения полного воспроизведения климатического режима. Важную роль играют некоторые химические процессы и геохимические контакты между элементами климатической системы. При этом говорят о круговоротах или циклах - это цикл углерода в океане, кислородный (и другие: хлорный, бромный, фторный, водородный) циклы озона в стратосфере, цикл серы и др. Поэтому важное место в климатической модели должен занимать макроблок климатически значимых химических процессов.

Третьим макроблоком в климатическую систему должны быть включены климатообразующие процессы, обеспеченные деятельностью живых организмов на суше и в океане. Синтез этих основных звеньев должен составить идеальную модель климата.

Модели должны создаваться с учетом характерного времени процессов, участвующих в климатообразовании. Создать единую модель, способную работать в любом масштабе времени, если не невозможно, то, по крайней мере, нецелесообразно с точки зрения вычислительных затрат. Поэтому принята практика создания моделей для описания климатических процессов некоторого определенного масштаба. Вне выбранного для моделирования масштаба, со стороны медленных процессов, используются неизменные граничные условия и параметры (считается, что изменения слишком медленны по сравнению с изучаемыми). Со стороны меньших масштабов принимается, что происходят «быстрые» случайные флуктуации, детальное описание которых может быть заменено статистическим учетом результирующих эффектов (например, через градиенты средних состояний, как это принято в полуэмпирической теории турбулентности).

Общие принципы, положенные в основу идеальной модели, могут быть воплощены с различной полнотой. Так, в современных моделях крайне фрагментарно представлены биологические эффекты и химические процессы. Частично это объясняется тем, что модели развивались с ориентацией на изучение короткопериодных климатических изменений, при рассмотрении которых длительные (например, геохимические) эффекты могут характеризоваться набором констант. Поэтому современные климатические модели это, прежде всего термодинамические модели. В некоторых случаях к ним добавляются химические или биологические блоки с ограниченным набором обратных связей.

Термодинамические модели, в свою очередь, сильно различаются по степени детальности описания процессов. Некоторые базируются на упрощенных выражениях, другие используют «полные» математические формы записи основных физических законов. В соответствии с этим, каждую модель можно представлять в виде некоторого комплекса алгоритмов, часть из которых имеет четкое математическое и физическое обоснование (и с этой точки зрения безупречна), а другая часть носит феноменологический, имитационный характер. Это так называемые параметризации.

Различия между «полными» и упрощенными моделями проявляются в том, что первые имеют более богатое физическое содержание. За счет этого шире диапазон обратных связей, которые реализуются в полной системе автоматически. В упрощенные модели необходимые обратные связи приходится «вставлять руками» то есть принудительно, часто без глубокого обоснования, добавлять в уравнения какие-то зависимости. Процедуры такого типа снижают ценность моделирования, так как искусственное навязывание модели обратных связей фактически априорно предопределяет результат моделирования. К тому же задаваемая связь всегда в той или иной форме опирается на информацию о современном состоянии климата, и при переходе к другим климатическим условиям не гарантировано, что такая конструкция даст достоверные результаты. Поэтому совершенствование моделей не самоцель, а путь к физически более полной воспроизводимости действующих механизмов.

Однако полностью отказаться от задавания эффектов можно будет только в идеальной модели. Современные же модели не включают важные биологические и химические эффекты, которые приходится параметризовывать.

Несмотря на казалось бы явное преимущество «полных» моделей, упрощенные модели продолжают использоваться и разрабатываться. Это вызвано следующими причинами. Во-первых, так называемые «полные» модели на самом деле, как уже отмечалось, далеко не полны, некоторое включенные в них параметризации очень грубы, а именно несовершенство отдельных блоков определяет несовершенство модели в целом. Во-вторых, упрощенные модели проще, их практическая реализация гораздо, принципиально легче, чем «полных» моделей. Они требуют меньшего (на порядки!) быстродействия компьютеров и поэтому на них возможно выполнение длительных компьютерных экспериментов, выполнение предварительных расчетов, тестирование новых парамеризационных схем. В четвертых, упрощенные модели дают гораздо более понятные, легче интерпретируемые результаты, чем «полные» модели. Эта «прозрачность» результатов иногда позволяет изучить с помощью упрощенной модели какой-либо отдельный эффект - например, вычленить прямые и обратные связи термического режима и альбедо поверхности, тщательно изучить радиационные эффекты малых газовых примесей и др.

Если выполнить ранжирование моделей климата по степени их физической полноты, и одновременно, по сложности, а также по возрастанию требований к компьютерным ресурсам (быстродействию, скорости обмена с внешними устройствами), то самыми простыми будут так называемые модели типа Будыко-Селлерса, затем следуют модели «промежуточной сложности» и, наконец, полные модели климатические модели.

Все модели, до того, как начинают использоваться для целей диагноза и прогноза изменений климата, проходят стадию валидации. Она заключается в проверке того, способны ли модели при заданном наборе параметров, отвечающих современному состоянию климатообразующих факторов, адекватно реальности воспроизводить текущий климат. Если это осуществляется достаточно успешно, то можно рассуждать так: если модель способна правильно отреагировать на данный (случайный, вообще говоря) набор внешних условий, то она столь же успешно воспроизведет условия отвечающие другому набору параметров. Естественно, что данное условие будет правдоподобно только в том случае, если модель предполагается полной, то есть лишенной каких-либо настроечных параметров и связей.

Энергобалансовые модели (модели типа Будыко-Селлерса) основаны на упрощенном выражении уравнения бюджета энергии климатической системы, в котором в качестве неизвестной величины выступает только одна величина - температура. На основе моделей этого типа впервые продемонстрирована эффективность обратной связи термического режима и альбедо поверхности. Существуют одномерные (с зависимостью температуры от широты) и двумерные (широта и долгота) версии моделей.

Положительные стороны моделей промежуточной сложности очевидны. Они не предъявляют специальных требований к вычислительной технике, и поэтому могут использоваться для выполнения длительных экспериментов; получаемые результаты, как у всякой «простой» модели, достаточно ясны для интерпретации. Также понятны и недостатки - принципиальный заключается в том, что отсутствует уверенность в том, способны ли упрощенные модели воспроизводить климат в других, отличных от современного, условиях климатообразования.

Следующая ступень в развитии моделей - это так называемые модели общей циркуляции атмосферы. Это название закреплено за глобальными трехмерными моделями, основанными на так называемых полных уравнениях термогидродинамики. Пространственное разрешение МОЦА - примерно от 200х200 км по широте и долготе и около 20 уровней и до ~30х30 км и 60 уровней в атмосфере. Уже в 90-е годы было достигнуто понимание оптимальной структуры МОЦА, компромиссно отвечающей задачам моделирования и ресурсам вычислительной техники.

Совершенствование климатических моделей идет по пути улучшения моделирования океана. Уже сейчас появляются модели с разрешением в несколько первых десятков километров с несколькими десятками уровней по вертикали, обладающие важнейшим для моделей свойством - вихри в океане, основные циркуляционные и энергонесущие образования, воспроизводятся в них автоматически, без использования параметризаций.

Развитие блока суши идет по пути подробного описания гидрологических процессов и тепловлагообмена суша - атмосфера с учетом роли растительного покрова. В некоторых случаях, в зависимости от ориентации моделей, к МОЦА пристыковываются блоки динамики континентального оледенения.

Дальнейшее развитие моделей предполагает последующее наращивание детализации моделируемых полей. Это требует совместных усилий физиков, математиков, специалистов по архитектуре современных компьютеров, Вообще говоря, неясно, приведет ли это к искомой физической «полноте» модели, к приближению ее к идеальной, поскольку сразу же возникают новые проблемы следующего, более глубокого рассмотрения процессов, проблемы недостаточности сети данных наблюдений и др. Так, принципиальный переход от уравнений Рейнольдса, использующихся для описания крупномасштабной динамики, к уравнениям Навье-Стокса породит появление новых проблем, в частности, понадобится подробнейшая информация о пространственном распределении коэффициента молекулярной вязкости и т.д.

Географическое распределение среднегодового приземного потепления в конце ХХI века. Приведены результаты осреднения расчетов с помощью ансамбля из 21 климатической модели (модели CMIP5) для сценария RCP4.5. Показаны изменения температуры к 2080 - 2099 гг. по отношению к периоду 1980 - 1999 гг. Модели CMIP5 и сценарии семейства RCP использованы (и подробно описаны) в последнем - Пятом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (2013, 2014 гг.)

Карта: Люба Березина

Предсказание климата, включая последствия его изменений, — центральная задача науки о климате. Этой задаче подчинены все направления науки о климате — от анализа и интерпретации данных наблюдений за климатической системой до исследований ее чувствительности к внешним воздействиям и предсказуемости. Поведение климатической системы определяется взаимодействием пяти компонентов — атмосферы, океана, криосферы , биосферы и деятельного слоя суши . Характерные времена релаксации этих компонентов к внешним воздействиям различаются на несколько порядков. Благодаря нелинейности процессов, присущих указанным средам, и многообразию возникающих обратных связей, в климатической системе возбуждаются собственные колебания с самыми разными временными масштабами. Чтобы понять и предсказать поведение столь сложной системы под влиянием внешних воздействий (как антропогенных, так и естественных), необходимо использовать физико-математические модели климатической системы, описывающие процессы в указанных средах с достаточной степенью достоверности и детализации. Построение климатической модели начинается с определения системы уравнений, являющихся математическим описанием законов физики, действующих в климатической системе. Основные законы хорошо известны — это второй закон Ньютона, первое начало термодинамики, закон сохранения массы и др. Однако, применительно к жидкостям, движущимся на сфере (а таковыми в допустимом приближении являются и атмосфера, и океан), математическая запись этих законов усложняется. Решить аналитически соответствующие дифференциальные уравнения в частных производных невозможно. Приходится прибегать к компьютерным вычислениям. Задачу компьютеру можно облегчить разными способами, начиная с упрощения исходной системы уравнений (например, исключая процессы, которые в рамках поставленной задачи не важны), оптимизации вычислительных алгоритмов (допустим, уменьшая пространственное разрешение) и кончая совершенствованием компьютерной программы (учитывая количество процессоров конкретного компьютера, объем памяти и т. д.). Очевидно, определение исходной системы уравнений — задача физика, разработка алгоритма — ответственность математика, а создание компьютерной программы — искусство программиста. По этой причине для создания климатической модели, проведения исследований с ее помощью и, главное, анализа результатов одного человека недостаточно. Моделирование климата — задача, с которой способна справиться лишь группа специалистов. По мере развития климатической модели возникает потребность во все новых специалистах — химиках, биологах и др. Так климатические модели превращаются, как сегодня принято говорить, в модели Земной системы. Несмотря на бурное развитие вычислительной техники, потребность в пространственной детализации оценок будущих изменений климата, полученных с помощью глобальных моделей, вынуждает исследователей прибегать к использованию региональных климатических моделей. В таких моделях на границах региона задаются значения моделируемых величин, полученные с помощью глобальной модели, и производится их "пересчет" для этого региона с более высоким пространственным разрешением.

Ожидаемые к середине ХХI века изменения (%) экстремальных летних осадков (выше 95?й процентили), полученные с помощью региональной климатической модели ГГО им. А. И. Воейкова, две расчетные области которой обеспечивают покрытие всей территории Российской Федерации с горизонтальным разрешением 25 км.

Карта: Люба Березина

Помимо необходимости улучшения пространственного разрешения моделей, современные приоритеты развития моделирования климата связаны с включением дополнительных интерактивных компонентов. Кроме того, поскольку часть неопределенности будущих изменений климатической системы обусловлена ее собственной изменчивостью и не может быть устранена усовершенствованием моделей, необходимо исследовать эту неизбежную неопределенность в вероятностном пространстве. С этой целью необходимо проводить ансамблевые расчеты с варьированием как начальных состояний, так и модельных параметров. Воспроизведение экстремальных и редких явлений также требует массовых ансамблевых расчетов. Наконец, оценки будущих изменений некоторых "медленных" компонентов климатической системы, таких как ледниковые щиты, или климатических характеристик, таких как уровень океана, требуют проведения длительных численных экспериментов. Поэтому не вызывает сомнений, что в обозримом будущем развитие высоких технологий и, прежде всего, компьютерной техники будет играть решающую роль в совершенствовании предсказания климата.

В отличие от численного прогноза погоды, постоянно сверяемого с фактическими данными, пригодность моделей для использования в расчетах будущих состояний климатической системы невозможно установить, анализируя собственно результаты этих расчетов. Но резонно предположить, что достоверность расчетов будущего климата подтверждается способностью модели воспроизводить современное состояние климатической системы, а также ее состояние в прошлом, в соответствии с имеющимися данными наблюдений. Если, помимо современного климата, модель воспроизводит состояния климатической системы в далеком прошлом (когда внешние воздействия сильно отличались от современных), а также известную эволюцию климатической системы (например, в течение ХХ и предыдущих веков), можно надеяться, что полученные с помощью этой модели оценки изменений климата при ожидаемых в будущем сценариях внешнего воздействия заслуживают доверия. Сегодня во всем мире количество известных глобальных моделей составляет несколько десятков. И среди них нет модели, лучше прочих описывающей, например, современный климат. Обычно каждая модель хорошо воспроизводит лишь часть искомых климатических величин, в то время как остальная часть воспроизводится хуже. Наиболее высокую успешность, как правило, показывает "средняя" (по ансамблю) модель. Это связано с тем, что систематические ошибки отдельно взятых моделей не зависят друг от друга и при осреднении по ансамблю компенсируются. На основе сценариев будущих эмиссий парниковых газов и аэрозолей с помощью современных моделей климата получены климатические сценарии. Но необходимо принимать во внимание, что важным источником неопределенности оценок изменения климата в ближайшие десятилетия является относительно малая величина антропогенного изменения климата на фоне естественной его изменчивости.

В Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова Росгидромета (ГГО) создана и применяется трехмерная модульная система вероятностного прогнозирования для получения количественных оценок последствий будущих климатических изменений на территории России и в регионах геополитических интересов РФ (Арктика, ближнее зарубежье). Она включает совместную глобальную модель климатической системы Земли, региональные климатические модели с пространственным разрешением 50 и 25 км, а также модели отдельных компонентов климатической системы для пространственно детализированных исследований (многолетнемерзлые грунты, речные системы, пограничный слой атмосферы). При всем огромном и далеко не исчерпанном потенциале климатических моделей их возможности не безграничны. На многие вопросы, связанные с предсказуемостью климатической системы, еще предстоит получить ответы. Не исключено, что мы недооцениваем роль каких-либо факторов в будущих изменениях климата, и на этом пути нас еще ждут сюрпризы. Тем не менее, несомненно, современные климатические модели отвечают наивысшему уровню знаний, накопленных человечеством за время исследований климатической системы, и им нет альтернативы в оценках возможных в будущем изменений климата.

Не путайте прогноз и сценарий
Под климатическим сценарием понимают правдоподобную (или вероятную) эволюцию климатической системы в будущем, которая согласуется с предположениями о будущих эмиссиях (со сценариями эмиссий) парниковых газов и других атмосферных примесей, например сульфатного аэрозоля, и с существующими представлениями о воздействии изменений концентрации этих примесей на климат. Соответственно, под сценарием изменения климата подразумевается разница между климатическим сценарием и современным состоянием климата. Поскольку сценарии эмиссий основываются на тех или иных предположениях о будущем экономическом, технологическом, демографическом и т. п. развитии человечества, климатические сценарии, равно как и сценарии изменения климата, следует рассматривать не как прогноз, но лишь как внутренне непротиворечивые картины возможных в будущем состояний климатической системы.

Не путайте климат с погодой
Климат — совокупность всех погодных условий на конкретной территории (область, регион, континент, Земля) за продолжительное время. Сложные нелинейные системы, в том числе климат, имеют ограниченную предсказуемость. Различают предсказуемость первого и второго рода. Предсказуемость первого рода определяется зависимостью эволюции системы от начального состояния. Предсказуемость второго рода определяет возможность статистического описания будущих состояний системы. В смысле предсказуемости различие между климатом и погодой (то есть между осредненным и неосредненным состояниями) принципиально. Атмосфера — наиболее неустойчивый и быстро меняющийся компонент климатической системы. Поэтому прогноз погоды, как правило, не превышает двух недель. Другие компоненты климатической системы меняются медленнее, их предсказуемость выше, но также ограничена во времени. Изменения климата, обусловленные внешними воздействиями, предсказуемы в широком временном диапазоне — от лет до столетий и более.

* Криосфера — компонент климатической системы, состоящий из всего снега, льда и мерзлого грунта (в том числе вечной мерзлоты) на поверхности Земли и океана и под ней.

** Деятельный слой суши (деятельная поверхность суши) — поверхность суши, участвующая в трансформации солнечной энергии, то есть воспринимающая и отдающая солнечную энергию.

текст Владимир Катцов доктор физико-математических наук, Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, Росгидромет

картография Люба Березина

Моделирование глобальной циркуляции. Многие авторы строили численные модели циркуляции в отдельных акваториях Мирового океана. Такие работы представляют методический и региональный интерес (упомянем, в частности, отличную работу М. Кокса (1970) по моделированию сезонной изменчивости течений в Индийском океане с его наиболее сильно развитыми муссонными эффектами). Однако все акватории Мирового океана связаны воедино, и для теории климата необходимы численные модели циркуляции во всем Мировом океане с реальными очертаниями его берегов и рельефа дна. Таких моделей пока что построено еще немного.[ ...]

При изменении климата может измениться балл облачности, высота верхней границы, водность, фазовый состав и функция распределения облачных частиц по размерам. Результаты численного моделирования с трехмерными моделями общей циркуляции атмосферы показывают увеличение высоты облаков для большинства широт и уменьшение количества облакбв в средней и верхней тропосфере в низких и средних широтах . Уменьшение количества облаков приводит к увеличению поглощения солнечного излучения, а возрастание средней высоты облаков уменьшает длинноволновое выхолаживание. Суммарное действие обоих эффектов дает очень сильную положительную обратную связь, оцениваемую в интервале -0,8 и -1,1 Вт-м"2-К 1 . Значение Х= -0,9 Вт-м -К"1 увеличивает потепление до 4,4 К.[ ...]

Математическое моделирование. Установление зависимости «воздействие-отклик» в сложных экосистемах, определение степени антропогенного воздействия возможны путем построения математической модели (так же как для определения антропогенного воздействия на климат). Такие модели позволяют исследовать чувствительность экосистемы к изменению того или иного воздействующего фактора.[ ...]

Однако указанные модели климата имеют и ряд серьезных недостатков. Вертикальная структура моделей базируется на предположении о равенстве вертикального температурного градиента равновесному. Их упрощенность не позволяет корректно описать очень важные атмосферные процессы, в частности образование облаков и конвективный перенос энергии, которые по своей природе являются трехмерными полями. Поэтому в этих моделях не учитывается обратное воздействие изменений климатической системы, обусловленных изменениями, например, облачного покрова, на характеристики последнего, и результаты моделирования могут рассматриваться лишь как первоначальные тенденции в эволюции реальной климатической системы при изменении свойств атмосферы и подстилающей поверхности.[ ...]

В настоящее время точное моделирование косвенного климатического эффекта аэрозоля представляется весьма проблематичным из-за того, что его описание включает комплекс физических процессов п химических реакций, в нашем понимании которых не существует полной ясности. О важности косвенного воздействия аэрозоля на климат можно судить по тому факту, что в определенном смысле облака можно рассматривать как продукт этого воздействия, поскольку есть основания полагать, что конденсация облачных капель не могла бы происходить в атмосфере, из которой полностью удалены аэрозольные частицы .[ ...]

Лоренц Э.Н. Предсказуемость климата. Физические основы теории климата и его моделирование // Тр. Международной научной конференции.[ ...]

Анализ, оценка современного климата, прогноз его возможных изменений и колебаний требуют большого количества данных, ставят задачу всестороннего анализа состояния окружающей природной среды и моделирования климата .[ ...]

Проблема исследования и предсказания изменений климата нашей планеты приобрела в последние 20 лет характер неотложного общечеловеческого социального заказа в адрес науки. Первые основы для такого исследования были сформулированы Стокгольмской международной конференцией ПИГАП 1974 г. по физическим основам теории климата и его моделирования. В 1979 г. Всемирной метеорологической организацией и Международным советом научных союзов принято решение о проведении Всемирной программы исследования климата (направленной в основном на изучение изменчивости климата в масштабах от нескольких недель до нескольких десятилетий и на создание научной базы для долгосрочного прогнозирования погоды).[ ...]

В монографии изложены основные положения теории моделирования климата и построения радиационных моделей системы «атмосфера- подстилающая поверхность». В ней дан краткий анализ влияния изменчивости оптических свойств атмосферы, обусловленной, в частности, антропогенными загрязнениями, на радиационный режим, погоду и климат Земли.[ ...]

Как указывалось выше, оценка воздействия изменений климата на развитие орошаемого земледелия была проведена для условий Северо-Кавказского экономического района, базируясь на результатах комплексного анализа природно-экономических условий и функционирования водопотребляющих отраслей [Моделирование..., 1992]. Крупнейшим потребителем воды в структуре водохозяйственного комплекса является здесь орошаемое земледелие. Зачастую оно определяет общее состояние водообеспечения. Наиболее значительных изменений водопотребления можно ожидать в периферийных районах орошаемой зоны, где условия естественного увлажнения позволяют достаточно эффективно, наряду с орошаемым земледелием, развивать и богарное земледелие. В таких районах вариации среднегодовых значений осадков и испаряемости, а также отклонения их от нормы могут привести не только к изменению режимов орошения, но и необходимости освоения новых орошаемых массивов (или, наоборот, прекращения поливов). Именно к таким районам относятся лесостепная и степная зоны юга Европейской части России (бассейны рек Дон, Кубань, Терек, Среднее и Южное Поволжье).[ ...]

Представляется, что основным методом будущей теории климата станет математическое моделирование; оно будет иметь и доказательную, и предсказательную силу. Отметим также, что математические модели климата нужны не только сами по себе: поскольку климат является важным экологическим фактором существования населения земного шара, модели климата уже сейчас становятся необходимым блоком так называемых мировых моделей, предназначающихся для количественных прогнозов демографического и экономического развития человечества.[ ...]

К отрицательным последствиям глобального потепления климата следует отнести повышение уровня Мирового океана за счет таяния материковых и горных ледников, морских льдов, теплового расширения океана и т. п. Экологические последствия этого явления пока неясны в полной мере и поэтому сейчас ведутся интенсивные научные исследования, включающие в себя различного рода моделирование.[ ...]

Многопараметрические радиационные динамические модели климата, основанные на полной системе уравнений динамики, начали развиваться тогда, когда для краткосрочного прогноза погоды стали использоваться вычислительные машины. За баротропными моделями Чарни очень быстро последовало развитие бароклин-ных моделей, которые способны описать динамику погодных систем в средних широтах и могут быть использованы не только для прогноза погоды, но и для изучения усредненных за большие временные интервалы характеристик состояния атмосферы. В 1956 году появилась работа Филлипса с первыми результатами по численному моделированию общей циркуляции атмосферы. С тех пор модели общей циркуляции получили существенное развлтие.[ ...]

Книга посвящена краткому изложению понятий, сведений и методов физической теории климата в современном ее понимании. Основой этой теории является физико-математическое моделирование климатической системы атмосфера-океан-суша.[ ...]

В течение последних 20-30 лет интенсивно разрабатываются различные модели для оценки изменений климата, обусловленных изменением состава атмосферы. Однако климатическая система настолько сложна, что до сих пор не построены модели, адекватно описывающие всю совокупность естественных процессов, протекающих на земной поверхности и в атмосфере и определяющих динамику погоды и климат. Более того, наше понимание физики некоторых процессов и, в частности, механизмов многочисленных обратных связей все еще является неудовлетворительным. В связи с этим при создании моделей климата используются приближения и упрощения, основанные на имеющихся эмпирических данных. Поскольку априори не известно, какие именно аппроксимации дают наилуч-шие результаты моделирования эволюции климатической системы, развивается большое число вариантов моделей.[ ...]

Книга содержит описания нескольких математических моделей процессов эволюции атмосферы, биосферы и климата. Несмотря на то, что со времени издания книги прошло 50 лет, она современна и актуальна, особенно в связи с бурным развитием исследований в области моделирования биосферных процессов.[ ...]

Описанные выше данные необходимы для проведения всестороннего анализа состояния окружающей среды и моделирования климата. Подчеркнем, что всесторонний анализ состояния природной среды и моделирование климата позволят выделить критические факторы воздействия и наиболее чувствительные элементы биосферы (с точки зрения последующего влияния на климат), что обеспечит оптимизацию системы климатического мониторинга.[ ...]

Считается, что постепенное увеличение стока Волги (по так называемому сценарию глобального изменения климата) приведет к росту уровня моря на несколько метров (по сравнению с современным состоянием), а это в первую очередь коснется прибрежных районов. Есть еще и так называемые «вторичные загрязнения»: по мере повышения уровня моря будет происходить смыв в водоем загрязняющих веществ, которые накопились на незатопленных территориях. Моделирование показывает, что изменения уровня моря, отражая «дыхание» Мирового океана, происходит немонотонно. Например, в начале XXI в. уровень может не расти, а где-то в 20-е гг. нынешнего столетия может принять катастрофические размеры. Это всегда следует учитывать при долгосрочном планировании освоения нефтяных морских месторождений.[ ...]

Отмечая достижения проведенных до сих пор модельных экспериментов и их большую роль в будущем, следует подчеркнуть, что моделирование и мониторинг еще недостаточны для достижения конечной цели - понимания природы климата. Необходимо прежде всего количественно оценить, какое влияние на климат оказывает каждый физический процесс .[ ...]

На основе климатических данных, полученных за несколько последних десятилетий, еще невозможно четко отделить антропогенные изменения климата от естественных. При прогнозировании возможных изменений климата приходится опираться в основном на результаты математического моделирования сложных климатических систем, состоящих из атмосферы, океана, криосферы, суши и биосферы. Возможность прогнозирования с их помощью очень ограниченна.[ ...]

Наиболее актуальной задачей является организация такой системы мониторинга, с помощью которой стало бы возможным (конечно, в сочетании с моделированием климата и другими подходами) надежное выделение антропогенных и других эффектов и воздействий, связанных с наибольшим влиянием на климат и его изменения.[ ...]

По данным американских ученых, нынешние тропические ураганы покажутся чуть ли не пустяком по сравнению с теми, которые могут прийти на смену в результате глобального потепления климата. Как показывает компьютерное моделирование условий, которые возникнут в потеплевшем мире, повышение температуры Мирового океана в следующем столетии может привести к повышению скорости ветра в ураганах и возрастанию их разрушительной мощи.[ ...]

На симпозиуме были также представлены доклады по мониторингу фонового загрязнения природных сред (например, ), мониторингу влияния загрязнения на сухопутные и морские экосистемы, на климат; нормированию качества природной среды и антропогенных нагрузок , моделированию распространения загрязнений и поведения экосистем, а также оценке и прогнозу влияния загрязнений на состояние экосистем, различным методам наблюдений.[ ...]

Современные модели общей циркуляции атмосферы, на основе которых получают наиболее реалистичные оценки эволюции состояния климатической системы, гГока не дают возможности однозначно предсказать изменения глобального климата будущего и прогнозировать его региональные особенности. Основными причинами этого являются очень приближенное моделирование океана и его взаимодействие с другими компонентами климатической системы, а также неопределенности параметризации многих важных климатических факторов. В проблеме изменения глобального климата чрезвычайно важным является задача обнаружения влияння антропогенного аэрозоля и парниковых газов на климат, решение которой дало бы возможность тщательного тестирования климатических моделей. Создание более совершенных моделей и схем параметризации климатических процессов практически немыслимы без глобального мониторинга климатической системы, в которой одним из важнейших и наиболее динамичных компонентов является атмосфера.[ ...]

Ниже приводится сводная табл. 6.1 (из разделов 4 и 6 работы ), отражающая точку зрения экспертов различных стран на порядок и точность измерений, необходимых во время и после проведения Первого глобального эксперимента ПИГАП для моделирования климата (в качестве интервалов даны необходимые и желательные значения точности измерений). Изложенные требования сформулированы в дополнение к существующим для сбора данных на базе Всемирной службы погоды (ВСП).[ ...]

Несомненным достоинством моделей общей циркуляции атмосферы является то обстоятельство, что их физическая основа близка к реальной климатической системе и это позволяет проводить важные сравнения между результатами численного моделирования и данными эмпирических исследований. В этих моделях существующие обратные связи могут быть описаны более корректно, что дает возможность прогнозировать эволюцию климатической системы на более длительные временные интервалы, чем первоначальные тенденции. Один из основных недостатков моделей общей циркуляции атмосферы - грубое пространственное разрешение - обусловлен высокой стоимостью и большим объемом вычислений. Поэтому в моделях не воспроизводятся детали регионального климата. Успехи в развитии вычислительной техники и усовершенствовании данных моделей позволяют надеяться, что эти недостатки будут со временем устранены.[ ...]

Как уже отмечалось, полученная информация может использоваться для решения прикладных вопросов, связанных с различными направлениями человеческой деятельности (в сельском хозяйстве, строительстве, энергетике, коммунальном хозяйстве и т. д.); для моделирования климата, ставящего целью определение чувствительности климата к изменениям различных параметров, и для предсказания возможной изменчивости климата; для выявления наступающих изменений климата, выделения антропогенной составляющей в этих изменениях и определения причин таких изменений.[ ...]

До сих пор большинство глобальных моделей рассматривало экологические и чисто природные аспекты глобальных проблем только в связи с анализом социальных, экономических, демографических процессов - с позиций экологии человека. Понятно, что в центре моделирования должны находиться и чисто природные процессы. Такой опыт накоплен при построении моделей глобального климата. Под руководством Н. Н. Моисеева (1985) разработан ряд моделей климата, включая модель “ядерной зимы”, наглядно показавшей, что для человечества и биосферы Земли ядер-ная война явится коллективным самоубийством.[ ...]

Двухэтапная стохастическая модель позволяет оптимизировать как стратегию развития, так и тактическую программу реализации решений. Стохастические модели представляют собой эффективный аппарат для решения проблем орошаемого земледелия в зонах неустойчивого увлажнения, а также анализа устойчивости сельскохозяйственного производства к изменениям климата. Варианты детерминированных и стохастических моделей орошения, апробированных на реальных водохозяйственных объектах в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения, широко представлены в научной литературе [Лаукс и др., 1984; Кардаш и др., 1985; Пряжинская, 1985; Математическое моделирование..., 1988; Воропаев и др., 1989; Кардаш, 1989, Вода России. .., 2001].[ ...]

В рамках статистического подхода получены значительные результаты в части анализа трендовых изменений интегральных параметров океана и атмосферы, а также их взаимодействия , исследована чувствительность атмосферных характеристик к долгопериодным океанским возмущениям , построена теория подобия планетарных атмосфер , многие выводы которой активно используются при моделировании земного климата. В течение последних двух десятилетий был достигнут прогресс и в области динамико-стохастического моделирования взаимодействия океана и атмосферы, развитого в основном благодаря работам К. Хассельмана .[ ...]

В сборнике избранных трудов Г. С. Голицына выделены шесть основных направлений научных исследований, начиная с самых первых результатов по магнитной гидродинамике и турбулентности (глава I). Глава II посвящена результатам исследований различных волновых процессов в атмосфере. В главе III дается анализ динамики планетных атмосфер с использованием теории подобия. Результаты исследований по теории климата и его изменений представлены в главе IV. В этой главе, в том числе, отмечены экстремальные свойства климатической системы, проблемы «ядерной зимы», моделирования уровня Каспия, сезонных вариаций температуры мезосферы, изменений состава атмосферы над Россией. Глава V посвящена исследованиям конвекции в мантии, в атмосфере Земли и в океане. Конвекция с учетом вращения изучается теоретически и в лабораторных экспериментах с приложениями к глубокой конвекции в океане, в жидком ядре Земли, для описания энергетических режимов ураганов. В главе VI проведен анализ статистики и энергетики разнообразных природных процессов и явлений. Приведены результаты исследований по общей теории статистики природных процессов и явлений как случайных блужданий в пространстве импульсов, позволяющие единым образом вывести их закономерности. Исследованы Колмогоровская турбулентность, морское волнение, закон повторяемости землетрясений. Особое место занимает глава VII, характеризующая широту интересов автора.[ ...]

Прогнозирование экологическое - научное предвидение возможного состояния природных экосистем и окружающей среды, определяемого естественными процессами и антропогенными факторами. При составлении эколого-географических прогнозов используются общие методы исследований (сравнительный, исторический, палеогеографический и др.), а также частные методы (методы аналогий и экстраполяции, индикационный, математическое моделирование и т. п.). В последнее время особое значение приобретает экологическое моделирование - имитация экологических явлений и процессов с помощью лабораторных, логических (математических) или натурных моделей. Эти методы сейчас используются при изучении экологических последствий глобального потепления климата (парникового эффекта), в частности с помощью математических моделей проведено прогнозирование возможного поднятия уровня Мирового океана на XXI в., а также деградации многолетней мерзлоты на территории Евразии. Эти прогнозы необходимо учитывать уже в настоящее время с перспективой дальнейшего освоения северных регионов России. Американскими учеными на основе изучения 22 озер и водохранилищ США составлены 12 эмпирических моделей по эвтрофированию пресноводных водоемов. Эти модели помогут контролировать в будущем темпы антропогенного эвтрофирования и качество воды в крупных озерах различных регионов земного шара.[ ...]

Существуют и определенные загадки. Так в последние 10 лет сначала над южными океанами, затем в Сибири, Восточной Европе, на Западе Северной Америки отмечалось потепление, в то же время в Гренландии, на северо-востоке Канады, а также на ряде островов российской зоны Арктики наблюдалось понижение средних температур. Не было пока потепления в полярных районах, хотя по результатам математического моделирования изменений климата это здесь ожидалось в наиболее ярко выраженном виде: пятикратный рост температур по сравнению со среднеглобальным.[ ...]

Наибольшую сложность для научных исследований и практического проектирования представляют собой оросительные системы в зонах неустойчивого естественного увлажнения. Поэтому потребовалась разработка методологии и способов количественного измерения погодноэкономического риска на базе специальных оптимизационных моделей [Кардаш, Пряжинская, 1966; Пряжинская, 1985]. Учет в моделях стохастического характера процессов речного стока и естественного увлажнения позволил позднее модифицировать их для изучения влияния изменений климата на управление водными ресурсами [Математическое моделирование..., 1988; Моделирование..., 1992; Water Resources Management..., 1996]. Подобные модели не имеют зарубежных аналогов.[ ...]

Удачная модель означает, что система достаточно хорошо понятна, так что факторы, которые воздействуют на нее, известны и их влияние можно определить по крайней мере с достаточной точностью. Модель затем может быть использована в прогностическом режиме: могут быть сделаны предположения, касающиеся параметров воздействующих функций в будущем, после чего модель можно использовать для выработки реалистических планов. Модели обычно наиболее полезны для «определенных систем», т.е. систем, которые развиваются в соответствии с хорошо определенными естественными законами (хотя детерминированная система может по-прежнему быть очень сложной, например, как климат). Человеческие системы, включая экономические и промышленные, добавляют к сложности дополнительный элемент: случайность, связанную с выбором. Это означает, что практически мы не только не знаем, но и не можем знать, в каком направлении будут развиваться промышленность, использование материалов, культура и общество. Соответственно люди, например, специалисты по бизнес-планированию, которые пытаются прогнозировать и понимать возможные будущие промышленные системы, часто используют методы, которые менее формальны и строги, чем моделирование: распространенный подход - разработка вариантов вероятного «будущего», или сцанариев, и исследование последствий каждого из них.[ ...]

Растущие концентрации С02 в атмосфере могут привести к глобальному потеплению, которое, по-видимому, в свою очередь, способствует более активной минерализации органического вещества в тундровых и торфяных почвах, что усиливает потери С02 и ускоряет темпы глобальных климатических изменений. До недавнего времени тундровые и различные заболоченные почвы, а также торфяники выступали в качестве мировых хранилищ почвенного углерода; особенно после отступления последних материковых ледников. Ожидаемые потери углерода тундровыми и болотными экосистемами во время глобального потепления при разных вариантах климатических сценариев изучались в лабораториях на монолитах, взятых из соответствующих почв, а также путей компьютерного моделирования. Мы знаем теперь, что в результате таяния арктических льдов вследствие глобального потепления климата будут иметь место абсолютные потери углерода из тундровых почв, оказавшихся в более теплых и влажных условиях, чем те, в которых почвы сформировались.[ ...]

С середины столетия все большее значение приобретают исследования в области биосферологии, начатые В.И. Вернадским (1863-1945) еще в 20-х годах. Одновременно общеэкологические подходы распространяются на эко-лоппо человека и факторы антропогенных воздействий. Ярко выступает зависимость экологического состояния различных стран и регионов планеты от развития экономики и структуры производства. Быстро растет дочерняя об ласть экологии - наука об окружающей человека среде с ее прикладными отраслями. Экология оказывается в центре острых общечеловеческих проблем. Это подтвердили в 60-х - начале 70-х годов исследования В. А. Ковды по техногенному воздействию- на земельные ресурсы, разработки Н. Н Моисеева пб модели «ядерной зимы», труды М. И. Будыко по техногенным воздействиям на климат и по глобальной экологии. Большую роль сыграли доклады Римского клуба - коллектива авторитетных специалистов по системной динамике и глобальному моделированию (Дж. Форрестер, Д. Медоуз, М. Месарович, Э. Пестель), а также представительная Конференция ООН по окружающей среде и развитию в Стокгольме в 1972 г.. Ученые указывали на угрожающие последствия неограниченного антропогенного воздействия на биосферу планеты и на тесную связь экологических, экономических и социальных проблем.[ ...]

В определенном смысле, еще более сложной проблемой является проблема анализа и предсказания климатических изменений. Если в случае предсказания погоды существует возможность постоянного сравнения «теории» (результатов численных расчетов) с «практикой» и последующей корректировки методов прогноза, то для предполагаемых климатических изменений на протяжении десятков, сотен и более лет такая возможность существенно ограничена. Земная климатическая система включает в себя все основные геосферы: атмосферу, гидросферу, литосферу, криосферу и биосферу. Следует отметить сложность структуры и взаимосвязей в земной климатической системе, ее неоднородность, нелинейность и нестационарность. Поэтому особую роль в анализе земной климатической системы играют математические модели, которые интенсивно развиваются в последние годы. Разработка климатических моделей важна для прогноза климата и выбора стратегии развития человечества . В настоящее время существует большое число климатических моделей, многие метеорологические центры имеют собственные модели. Большую роль в развитии климатического моделирования сыграли модели лаборатории геофизической гидродинамики Принстонского университета. Широко известны климатические модели институтов Академии наук СССР и России: Института прикладной математики, Института океанологии, Института физики атмосферы .[ ...]

Учитывая, что единственным биогеном, лимитирующим развитие биоты в экосистеме Ладожского озера, является фосфор, авторы построили остальные модели, ради ограничения числа переменных, как модели круговорота фосфора. В базовой модели комплекса в качестве переменных использованы три группы фитопланктона, зоопланктон, детрит, растворенное органическое вещество, растворенный минеральный фосфор и растворенный кислород. Кроме базовой модели в комплекс входят: модель, в которой зоопланктон представлен обобщенными биомассами мирного (фильтрующего) зоопланктона и хищного зоопланктона; модель, содержащая подмодель зообентоса; модель, в которой фитопланктон представлен в виде совокупности девяти экологических групп, названных по входящим в них доминирующим комплексам. Последняя модель создана для воспроизведения сукцессии фитопланктона в процессе антропогенного эвтрофирования озера. Здесь сукцессия - это закономерное изменение состава доминирующих комплексов фитопланктона под влиянием тех или иных воздействий на экосистему (например, изменение с годами биогенной нагрузки, возникновение заметных тенденций изменения климата, рост загрязнений и т. д.). Важность определения состава доминирующих групп фитопланктона для оценки качества воды в озере мы уже отмечали. Без воспроизведения сукцессии, перестройки фитопланктонного сообщества, как справедливо отмечает В. В. Меншуткин (1993) в монографии «Имитационное моделирование водных экологических систем», картина эвтрофирования Ладожского озера не может быть полной.