Tot ce ai vrut mereu să știi despre modelele climatice - o introducere ScienceBlog

Joi, 19.04.2018 - 17:34 - Carbon Brief Modelele computerizate se află în centrul cercetării climatice. Astfel de modele sunt indispensabile pentru înțelegerea climei terestre: fie că ajută cercetătorii să elucideze ciclurile epocii glaciare care datează de sute de mii de ani sau să facă prognoze pentru acest secol sau pentru următorul. Platforma britanică Carbon Brief oferă informații despre cele mai recente evoluții în cercetarea climatică, politica climatică și politica energetică într-o formă ușor de înțeles și a publicat o serie de articole în discuții cu experți climatici care răspund la întrebări cheie despre modelele climatice. Prima parte a acestei serii se învârte în jurul întrebării: Ce este un model climatic? *

Ce este un model climatic?

Un model climatic global este imens. De obicei, programul în formă codificată este suficient pentru a umple 18.000 de pagini tipărite; Sute de oameni de știință au lucrat mulți ani pentru a crea și îmbunătăți un astfel de program, iar un computer gigant de dimensiunea unui teren de tenis ar putea fi necesar pentru a-l rula.

Modelele climatice în sine vin sub diferite forme - de la cele care acoperă doar o anumită regiune a pământului sau o anumită parte a sistemului climatic la cele care simulează atmosfera, oceanele, masele de gheață și zonele terestre pentru întreaga planetă.

Rezultatele unor astfel de modele avansează cercetările climatice și îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă modul în care activitățile umane afectează clima pământului. Un astfel de progres a stat la baza deciziilor de politică climatică la nivel național și internațional în ultimele cinci decenii.

În multe privințe, modelarea climatică este doar o extensie a prognozei meteo, dar se concentrează pe schimbările care au loc de-a lungul deceniilor și nu de ore. De fapt, Met Office Hadley Center din Marea Britanie folosește același „model unificat” ca bază pentru ambele funcții.

Puterea enormă de calcul necesară pentru a simula vremea și clima înseamnă că modelele moderne rulează pe supercalculatoare masive. De exemplu, cele trei noi supercalculatoare Cray XC40 (vezi linkurile conexe) de la Met Office Hadley Center pot efectua împreună 14.000 de trilioane de operații aritmetice pe secundă.

Ceea ce își găsește drumul într-un model climatic?

Practic, modelele climatice folosesc ecuații pentru a reprezenta procesele și interacțiunile care conduc climatul pământului. Aceste ecuații includ procesele din atmosferă, în oceane, pe uscat și în regiunile acoperite de gheață ale pământului.

Modelele se bazează pe aceleași legi și ecuații care stau la baza înțelegerii mecanismelor fizice, chimice și biologice din sistemul Pământului. De exemplu, oamenii de știință cer ca modelele climatice să respecte legile fizice fundamentale, cum ar fi

  • legea conservării energiei (prima lege a termodinamicii), care afirmă că într-un sistem închis energia nu poate fi creată sau pierdută, ci este convertită doar de la o formă la alta,
  • legea Stefan-Boltzmann, care descrie radiația de căldură a unui corp negru în funcție de temperatura acestuia și cu care poate fi explicat efectul de seră natural, ceea ce face ca suprafața pământului să fie mai caldă cu 33 o C decât ar fi altfel,
  • Ecuații pentru dinamica sistemului climatic - pentru dependența temperaturii aerului și a presiunii vaporilor de apă (ecuația Clausius-Clapeyron),
  • cea mai importantă dintre aceste legi, ecuațiile Navier-Stokes pentru fluxul de lichide, care înregistrează viteza (v), presiunea (p), temperatura și densitatea (ρ) a gazelor din atmosferă și a apei din oceane (Figura 1).

știi
Figura 1. Ecuațiile Navier-Stokes pentru un debit incompresibil în trei dimensiuni (x, y, z). (Chiar dacă aerul din atmosfera noastră este compresibil din punct de vedere tehnic, acesta se mișcă relativ lent și, prin urmare, este tratat ca fiind incompresibil pentru a simplifica ecuațiile.) Sugestie: acest set de ecuații diferențiale parțiale este mai simplu decât cele pe care le va folosi un model climatic, deoarece acestea trebuie să calculeze fluxurile pe o sferă rotativă.

Cu toate acestea, acest set de ecuații diferențiale parțiale este atât de complex încât nu se cunoaște o soluție exactă pentru acestea (cu excepția câtorva cazuri simple). Rămâne una dintre marile provocări matematice (și există un premiu de un milion de dolari pentru oricine poate dovedi că există întotdeauna o soluție). În schimb, aceste ecuații sunt rezolvate „numeric” în model, ceea ce înseamnă că sunt aproximări.

Fiecare dintre aceste principii fizice este tradus în ecuații matematice care umple linie cu linie a codului computerului - mai mult de 1 milion de linii pot fi create din aceasta pentru a crea un model climatic global. Modelele climatice globale sunt adesea scrise în „Fortran”, un limbaj de programare care a fost dezvoltat de IBM în anii 1950 și este structurat ca un limbaj uman. Un mic extras din codul modelului Met Office Hadley Center arată cum arată astfel de linii (Figura 2). La pornirea modelului, acesta este tradus automat în codul mașinii pe care computerul îl poate înțelege.

modelele
Figura 2. Extras din codul pentru un model climatic global (HadGEM2-ES) scris în limbajul de programare Fortran. Provine din secțiunea Fiziologie a plantelor, care se ocupă cu absorbția luminii și umezelii de către diferite tipuri de vegetație. Credit: Dr. Chris Jones, Met Office Hadley Center.

Multe alte limbaje de programare sunt acum disponibile și pentru cercetările climatice (de exemplu „C”, „Python”, „R”, „Matlab” și „IDL”), dintre care unele, totuși, rulează mai lent decât Fortran. Fortran și „C” sunt utilizate în mod obișnuit astăzi pentru a rula rapid un model global pe computer.

Rezolutie spatiala

Ecuațiile din codul programului descriu fizica subiacentă a sistemului climatic - de la formarea și topirea gheții marine în apele arctice până la schimbul de gaze și umiditate între suprafețele terestre și aerul de deasupra.

De la mijlocul anilor 1970, procese din ce în ce mai relevante pentru climă au fost încorporate în modelele climatice globale. Figura 3 arată complexitatea crescândă a modelelor până la al patrulea raport de evaluare ("AR4") al grupului interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC) în 2007, prin care relațiile fizice nou adăugate sunt simbolizate prin imagini.

modelele
Figura 3. Cum au fost extinse modelele climatice globale. De la mijlocul anului 1970 până la primele patru rapoarte de stare (Rapoarte de evaluare) al grupului interguvernamental privind schimbările climatice (Grupul internațional privind schimbările climatice - IPCC): „FAR” (1990), „SAR” (1995), „TAR” (2000) și „AR4” (2007). (Al cincilea raport de evaluare „AR5” publicat în 2014 nu este luat în considerare aici.). Sursă: https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-1-2.html

Deci, cum poate un model să calculeze toate aceste ecuații?

Deoarece sistemul climatic este extrem de complex și performanța computerului își are limitele, un model nu poate calcula toate procesele relevante pentru climă pentru fiecare metru cub al sistemului climatic. În schimb, puneți o plasă peste suprafața pământului și o împărțiți într-o serie de cutii sau „celule de rețea”. Un model climatic global poate extinde zeci de straturi în sus în atmosferă și în adâncurile oceanelor. Cum vă puteți imagina acest lucru în trei dimensiuni este prezentat în Figura 4.

Modelul calculează acum starea sistemului climatic pentru fiecare celulă, luând în considerare temperatura, presiunea aerului, umiditatea și viteza vântului.

despre
Figura 4. Procese relevante pentru climă (în stânga jos) pe care un model le calculează pentru fiecare celulă din grila 3D. (Sursa: Laboratorul de dinamica fluidelor geofizice, https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/)

Pentru procesele care au loc pe scări mai mici decât celula de rețea (de exemplu, convecție), modelul folosește „parametrizări” - aproximări care simplifică procesele și le permit să fie incluse în model. (Parametrizările vor fi acoperite într-un capitol ulterior.)

Mărimea celulelor determină rezoluția spațială. Un model climatic relativ dur are celule care se extind în jur de 100 km în direcția longitudinilor și latitudinilor din latitudinile geografice medii. Deoarece pământul este o sferă, celulele de la ecuator sunt mai mari decât la poli. Prin urmare, rețelele alternative care nu au această problemă sunt utilizate din ce în ce mai mult (tehnici de rețea icosaedrică și „cu sfere cubice”).

Un model de înaltă rezoluție are apoi mai multe celule și mai mici. Cu cât rezoluția este mai mare, cu atât mai multe informații climatice vor furniza un model pentru o anumită regiune - întrucât sunt necesare mai multe operațiuni de calcul, aceasta este în detrimentul unui timp de calcul mai lung. În general, creșterea rezoluției spațiale cu un factor de doi înseamnă că este necesară de zece ori puterea de calcul pentru același timp de calcul.

Modul în care s-a îmbunătățit rezoluția spațială între primul raport de evaluare (FAR 1990) și al 4-lea raport de evaluare (AR 4 2007) al IPCC este prezentat în Figura 5. Devine clar vizibil cum a fost creată topografia suprafeței terestre.

climatice
Figura 5. Rezoluția spațială a modelelor climatice din rapoartele de stare ale IPCC „FAR” (1990), „SAR” (1995), „TAR” (2000) și „AR4” (2007). (Sursa: IPCC AR4, Fig 1.2). Al cincilea raport de evaluare „AR5” publicat în 2014 nu este luat în considerare aici.

Rezolutie temporala

Un compromis similar cu cel al rezoluției spațiale trebuie făcut și cu rezoluția temporală - adică cât de des modelul calculează starea climatului - realizat. În lumea reală, timpul este continuu, dar un model trebuie să îl împartă în secțiuni pentru a face calculele ușoare.

„Fiecare model climatic o face într-un fel, cea mai obișnuită abordare este un fel de metodă„ leapfrogging ”, explică Paul Williams, profesor de cercetare atmosferică la Reading University.” Ca un copil care sare pe altul într-un loc de joacă Copilul face să vină din spate în față, așa că modelul sare peste prezent pentru a ajunge din trecut în viitor. "

Prin urmare, modelul ia informațiile pe care le are din trecut și din perioada prezentă pentru a le extrapola la următoarea perioadă și apoi continuă în acest fel.

La fel ca și cu dimensiunea celulelor de rețea, perioade mai scurte de timp înseamnă că modelul oferă informații mai precise despre climă. Dar înseamnă și mai multe operații aritmetice în fiecare pas.

De exemplu, pentru a calcula starea sistemului climatic pentru fiecare minut al unui secol întreg, ar fi necesare mai mult de 50 de milioane de operații aritmetice pe celulă de rețea, dar doar 36.500 de operații pe zi. Aceasta este o gamă destul de largă - deci, cum decid oamenii de știință ce pas de timp să folosească?

Trebuie să găsiți un compromis aici, spune Paul Williams:

"Din punct de vedere matematic, abordarea corectă ar fi reducerea perioadei de timp până când simulările converg și rezultatele nu se mai schimbă. Cu toate acestea, ne lipsesc de obicei resursele de calcul pentru modelele cu un interval de timp atât de mic. Deci suntem forțați să acceptăm un pas de timp mai mare decât ne-am dorit în mod ideal. "

Pentru componenta atmosferică a modelelor climatice, un pas de timp de aproximativ 30 de minute pare a fi „un compromis rezonabil” între precizie și timpul procesorului, spune Williams:

"Dacă intervalul este mai scurt, precizia mai mare nu ar fi suficientă pentru a justifica efortul de calcul suplimentar. Cu fiecare interval mai lung, modelul ar rula foarte repede, dar cu o pierdere a calității simulării."

rezumat

Oamenii de știință traduc ecuațiile fizice de bază ale climei pământului într-un model computerizat care poate simula apoi, de exemplu, circulația oceanelor, ciclul anotimpurilor și ciclul carbonului între suprafețele terestre și atmosferă. Gavin Schmidt, directorul NASA Goddard Institute for Space Studies, arată în conferința sa TED din 2014 cât de eficiente sunt modelele climatice de astăzi: simulează totul, de la evaporarea umezelii de pe suprafața pământului până la formarea norilor, oriunde le poartă vântul. și unde cade în cele din urmă ploaia (vezi linkurile aferente). Un model climatic care rulează la intervale de 30 de minute este capabil să genereze o reprezentare a întregului sistem climatic de-a lungul mai multor decenii sau chiar secole.

* Articolul este pagina principală a Carbon Brief: „Întrebări și răspunsuri: Cum funcționează modelele climatice?” și este începutul unei serii de mai mulți autori care a fost pusă online pe 15 ianuarie 2018: https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work. Articolul, care face obiectul unei licențe cc-by-nc-nd 4.0, a fost tradus cât mai textual posibil de către echipa editorială din limba engleză în acord cu Carbon Brief și aprobat de Carbon Brief.

Carbon Brief este un site web din Marea Britanie care acoperă cele mai recente evoluții în domeniul științei climatice, al politicii climatice și al politicii energetice. Site-ul se străduiește să ofere articole și ilustrații clare bazate pe date pentru a ajuta la îmbunătățirea înțelegerii schimbărilor climatice din partea științei și a politicii. În 2017, Carbon Brief a fost desemnat „Cel mai bun site de specialitate pentru jurnalism” la prestigioasele premii online media.

Link-uri conexe

Informații despre Carbon Brief: https://www.carbonbrief.org/about-us

Instalarea fazei finale a supercomputerului Met Office (2017). Video 1:51 min. Înregistrări time-lapse. Licență YouTube standard. https://www.youtube.com/watch?time_continue=18&v=q4uKS_wcfow

Gavin Schmidt, Modelele emergente ale schimbărilor climatice. (2014). Video 12:10 min (subtitrare în limba germană) TED Talk; Licență YouTube standard. https://www.youtube.com/watch?time_continue=66&v=JrJJxn-gCdo

Met Office Hadley Center: https://www.metoffice.gov.uk/climate-guide/science/science-behind-climate-change/hadley

Laboratorul de dinamică a fluidelor geofizice: https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/

Peter Lemke: Dosar: Mașina vremii și climatului: http://www.klimafakten.de/klimawwissenschaft/dossier-die-wetter-und-klima.

Gheață, mare și climă - înțelegerea pământului nostru cu cercetări polare și marine. Video 7:24 min (2016). https://www.youtube.com/watch?v=tqLlmmkLa-s, ce trebuie să facem pentru a înțelege sistemul climatic al Pământului? Filmul arată cum Institutul Alfred Wegener descifrează continuu sistemul pământesc cu cercetări polare și marine. Licență YouTube standard.

Articol în ScienceBlog

Peter Lemke, 30 octombrie 2015: Cum influențează natura și oamenii clima și modul în care aceasta afectează echilibrul energetic al pământului

Peter Lemke: 6 noiembrie 2015: Fluctuațiile climatice, schimbările climatice - ce urmează?