Текстовой блок ТР-3. Климатические модели: каким образом
они строятся и применяются?
Всеобъемлющие климатические модели строятся по физическим законам, представленным математическими уравнениями, которые решаются с использованием трехмерной сетки над глобусом. Для имитации климата основные компоненты климатической системы должны быть представлены в подмоделях (атмосфера, океан, земная поверхность,криосфера и биосфера) наряду с процессами, которые происходят внутри и между ними.Большинство результатов в этом докладе получено из результатов моделей, которые включают определенное представление всех этих компонетов. Модели глобального климата, в которых компоненты атмосферы и океана соединены вместе, известны в качестве моделей общей циркуляции системы атмосфера-океан (МОЦАО). В атмосферном модуле, например, решаются уравнения, посредством которых описывается крупномасштабная эволюция количества движения, тепла и влажности. Аналогичные уравнения решаются для океана. В настоящее время разрешающая способность атмосферной части типичной модели составляет около 250 км по горизонтали и около 1 км по вертикали над пограничным слоем. Разрешающая способность типичной модели океана составляет около 200—400 м по вертикали с горизональной разрешающей способностью порядка 125—250 км. Уравнения обычно решаются для каждого получасового интервала модельной интеграции. Многие физические процессы, такие, как процессы, связанные с облаками или конвекцией океана, происходят в гораздо меньших пространственных масштабах по сравнению с модельной сеткой, и в этой связи их невозможно моделировать и решать четким образом. Их усредненные последствия включаются на приблизительной основе просто за счет использования физических связей с более крупномасштабными переменными. Подобный метод известен как параметризация.
Для подготовки количественных перспективных оценок изменения будущего климата необходимо использовать климатические модели, которые имитируют все важные процессы, управляющие будущей эволюцией климата. Климатические модели стали более совершенными за последние несколько десятилетий благодаря повышению мощности компьютеров. В течение этого времени были отдельно разработаны, а затем постепенно интегрированы, модели основных компонентов, атмосферы, суши, океана и морского льда. Подобное соединение разнообразных компонентов является трудным процессом. Совсем недавно были инкорпорированы компоненты цикла серы для представления выбросов серы и того, каким образом они окисляются с последующим формированием аэрозольных частиц. В настоящее время в нескольких моделях проводится совмещение наземного цикла углерода и океанского цикла углерода.Компонент химии атмосферы моделируется в настоящее время за пределами основной модели климата.Конечная цель заключается,разумеется, в моделировании в максимально возможной степени всей климатической системы Земли, с тем чтобы все компоненты могли взаимодействовать, и благодаря этому прогнозы изменения климата будут постоянно учитывать последствие обратных связей между компонентами. На рисунке 1 показана прошлая, настоящая и возможно, будущая эволюция климатических моделей. Некоторые модели нейтрализуют ошибки и расхождения поверхностного потока при помощи «корректировок потока», которые представляют собой эмпирически определяемые систематические корректировки в системе взаимодействия атмосфера-океан с фиксированием во времени, с тем чтобы привести имитируемый климат ближе к наблюдаемому состоянию. Разработана стратегия для проведения климатических экспериментов, благодаря которой ликвидируются многие из воздействий некоторых модельных ошибок на результаты. Часто вместе с моделью делается прогон первой «контрольной» имитации климата. После этого делается прогон экспериментальной имитации изменения климата, например с повышенным содержанием СО2 в модельной атмосфере. И наконец, берется разница для получения оценки изменения в климате, вызванного пертурбацией. Посредством метода получения разницы снимается большинство последствий любых искусственных корректировок в модели, а также систематические ошибки, которые обычно возникают при обоих прогонах. В то же время, благодаря сравнению результатов различных моделей, становится очевидно, что природа некоторых ошибок все еще оказывает влияние на конечный результат.
|
Текстовой блок ТР-3, рисунок 1. Развитие климатических моделей за последние 25 лет с демонстрацией того, каким образом различные компоненты изначально развивались отдельно, а затем включались во всеобъемлющие модели климата. |
Многие аспекты климатической системы Земли являются хаотичными — ее эволюция чувствительно реагирует на малейшие пертурбации в исходных условиях. Подобная чувствительность ограничивает предсказуемость подробной эволюции погоды приблизительно двухнедельным сроком. В то же время, предсказуемость климата не является столь ограниченной вследствие систематического влияния на атмосферу более медленно меняющихся компонентов климатической системы. Тем не менее, для подготовки надежных прогнозов при наличии как исходного условия, так и модельной неопределенности, желательно многократно повторить предсказания, исходя из различных первоначальных состояний возмущения, а также используя различные глобальные модели. Эти ансамбли являются основой вероятности прогнозов состояния климата.
Всеобъемлющие МОЦАО являются весьма сложными и для их прогона требуются значительные компьютерные мощности. Для исследования различных сценариев выбросов парниковых газов и последствий допущений или аппроксимаций в параметрах в модели более тщательным образом также широко используются более простые модели. Варианты упрощения могут включать более масштабную разрешающую способность, а также упрощенные динамические физические процессы. В своей совокупности простые, промежуточные и всеобъемлющие модели образуют «иерархию климатических моделей», все из которых являются необходимыми для изучения выборов, сделанных в параметризациях, и оценки четкости климатических изменений.
