ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 3, с. 260-275
УДК 551.513.1
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ
ЗЕМНОЙ СИСТЕМЫ © 2015 г. В. П. Дымников*, **, В. Н. Лыкосов*, ***, Е. М. Володин*
*Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 **Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова
129128 Москва, Ростокинская ул., 9 ***Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1 E-mails: dymnikov@inm.ras.ru, lykossov@inm.ras.ru, volodin@inm.ras.ru Поступила в редакцию 02.10.2014 г.
Рассматривается проблема математического моделирования Земной системы, динамика которой определяется физическими, химическими, биологическими и другими процессами, что требует междисциплинарных подходов при ее исследовании. Термин "Земная система" расширяет понятие "климатическая система" как введением в рассмотрение дополнительных геосфер (литосфера, гелиосфера и др.), так и за счет описания более широкого круга физических, химических, биологических и социальных взаимодействий. Обсуждается современный уровень климатического моделирования и с этой целью представлены некоторые результаты, полученные в Институте вычислительной математики РАН. Рассматриваются перспективы дальнейшего развития климатических моделей в направлении создания моделей Земной системы на основе "бесшовного" (seamless) подхода, подразумевающего использование единой модели для целей краткосрочного (на несколько суток) и долгосрочного (климатического) прогноза.
Ключевые слова: прогноз погоды, парниковые газы, глобальное потепление, климат, климатические изменения, Земная система, математическое моделирование.
Б01: 10.7868/80002351515030049
1. ВВЕДЕНИЕ
В 2015 г. исполняется 90 лет со дня рождения выдающегося ученого и организатора науки Гурия Ивановича Марчука. С его именем связаны многие научные достижения в области физики атмосферы и океана, среди которых разработка численных методов решения задач геофизической гидродинамики, создание первых в СССР математических моделей численного прогноза погоды и глобальных моделей общей циркуляции атмосферы и океана и многое другое. В 1984 г. Г.И. Марчуком с соавторами была опубликована монография [1], в которой впервые в мире с единых позиций были рассмотрены все аспекты проблемы моделирования атмосферы и океана — от постановки задачи до реализации алгоритмов ее решения на доступных в то время вычислительных системах. Разработка этой модели стала началом длинного (с 1980 г.) пути создания в Институте вычислительной математики (ИВМ) РАН, организатором и многолетним директором которого был Г.И. Марчук, серии климатических мо-
делей, базирующихся на совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана.
Математически климат определяется как статистический ансамбль состояний, принимаемый климатической системой (под которой обычно понимаются взаимодействующие между собой атмосфера, океан, суша, криосфера и биосфера) за достаточно большой интервал времени (см., например, [2]). В общем случае под ансамблем понимается не только множество состояний, но и некоторая вероятностная мера, заданная на этом множестве и определяющая вероятность того, что система может находиться на некотором подмножестве данного множества. Это определение подразумевает, что к климатическим характеристикам относятся любые параметры, осредненные по вероятностной мере (статистические характеристики). В частности, если рассматривать прогноз погоды как расчет траектории системы на конечном промежутке времени, а под предсказуемостью траектории понимать характерное время сходимости локализованного начального распре-
деления точек в фазовом пространстве, характеризующего ошибки исходного состояния, к равновесному (климатическому) распределению, то эта характеристика, усредненная по всему ансамблю начальных данных, будет характеристикой климатической.
Показано [3], что это характерное время определяет и чувствительность системы к малым внешним воздействиям. В этом смысле понятия "климатическая модель" и "модель прогноза погоды" должны совпадать. Кроме того, и формально модели прогноза погоды должны удовлетворять многим требованиям, накладываемым на климатические модели, поскольку это непосредственно следует из самого определения климата. Ключевой проблемой современной геофизической гидродинамики является, таким образом, разработка методов прогноза погоды и изменений климата на основе единой модели. Сезонный прогноз можно рассматривать как одно из направлений создания такой единой модели.
В настоящее время при естественных ограничениях, обусловленных большой разницей во временных масштабах интегрирования, эти модели сильно различаются точностью пространственно-временной аппроксимации (выбором пространственного и временного разрешения) и, как следствие, также описанием процессов под-сеточного масштаба. При этом следует иметь в виду, что для моделей прогноза погоды характерна непрерывная зависимость точности их результатов от пространственно-временного разрешения, в то время как в климатических моделях высокое разрешение требуется в основном для описания региональных аспектов и для рассмотрения новых климатообразующих факторов. Весь опыт построения климатических моделей говорит о том, что чем более мелкомасштабные процессы вовлекаются в рассмотрение, тем успешнее удается воспроизводить региональные климатические характеристики.
Прогресс в развитии вычислительной техники позволяет строить все более точные модели конкретных физических процессов и тем самым не только совершенствовать модели климата и технологии прогноза погоды, но и формулировать новые задачи и в соответствии с этим новые требования к вычислительным системам. Глобальные климатические модели создаются "параллельно" в различных странах и различными научными группами. Такой подход необходим как для контроля воспроизводимости получаемых с их помощью результатов, так и в силу того, что обработка результатов численных экспериментов по воспроизведению современного климата в рамках международных программ показала любопытную закономерность. Выяснилось, что основные климатические характеристики, полученные
с помощью различных моделей и затем усредненные по всему набору моделей, оказываются ближе к реально наблюденным, чем характеристики, полученные с помощью отдельных, даже лучших моделей.
В рамках международных программ AMIP (Atmospheric Model Intercomparison Project), CMIP (Coupled Model Intercomparison Project) и др., описание и результаты которых можно найти в Интернете (см. http://www-pcmdi.llnl.gov), проведено целенаправленное сравнение моделей, разработанных различными группами исследователей в разных странах мира как между собой, так и с данными наблюдений [4]. Модели ИВМ РАН представляли и представляют в настоящее время Россию в международных программах сравнения климатических моделей в рамках Межправительственной группы экспертов по изменениям климата (МГЭИК). Следует заметить, что в ходе проведения численных экспериментов с современными глобальными климатическими моделями генерируется большой объем данных, что хотя и требует специальных усилий по их визуализации, обработке и анализу, но дает и возможность исследовать систематические ошибки в воспроизведении современного климата и оценить диапазон возможных его изменений, обусловленных, например, антропогенными воздействиями.
Вместе с тем наблюдается естественный переход от моделей климата, целью которых является воспроизведение и прогноз чисто термогидродинамических характеристик, к моделям Земной системы. Термин "Земная система" расширяет понятие "климатическая система" как введением в рассмотрение дополнительных геосфер (литосфера, гелиосфера и др.), так и за счет описания более широкого круга физических, химических, биологических (а также социальных) взаимодействий. С помощью таких моделей возможно воспроизводить и прогнозировать многие другие компоненты состояния Земной системы, в частности, концентрации малых газовых примесей, концентрации заряженных частиц, характеристики электрических и магнитных полей и др. Такого рода модели позволяют решать целый класс новых задач, связанных, например, с проблемой деградации придонного слоя метаногидратов в Арктике [5], солнечно-земными связями, космической погодой и др.
Спустя 30 лет после опубликования работы [1] совершенно естественно проанализировать современные основные направления развития проблемы климатического моделирования. К ним относятся: объединение моделей прогноза погоды и моделей климата в единую модель, переход от моделей климата к моделям Земной системы, проблема мультимодельных расчетов и динами-ко-стохастическое моделирование, математиче-
ские проблемы теории прогноза погоды и теории климата, отображение моделей прогноза погоды и климата на архитектуру вычислительных систем. Не претендуя на полноту анализа, в данной работе рассмотрены лишь некоторые аспекты рассматриваемой проблемы, причем все обсуждаемые ниже примеры и результаты получены с помощью моделей ИВМ РАН.
2. КОМПЛЕКС КЛИМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИВМ РАН
В настоящее время в Институте вычислительной математики РАН имеется комплекс различных версий модели климатической системы, каждая из которых включает в себя модель общей циркуляции атмосферы, модель общей циркуляции океана и может быть дополнена другими блоками, например, расчетом углеродного цикла (бюджета содержания углерода растений, почвы, океана и атмосферы). Моделирование климата является проблемой, которая требует огромных вычислительных ресурсов, доступных только при использовании высокопроизводительных параллельных компьютеров. При этом программная реализация модели должна учитывать особенности параллельной архитектуры этих компьютеров [6]. Комплекс климатических моделей ИВМ РАН включает следующие версии, реализованные на институтском кластере и суперкомпьютере "Ломоносов" Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
Версия INMCM3.0 (Institute of Numerical Mathematic Climate Model, версия 3.0), подробно представленная в статье [7], имеет разрешение
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.