Všetko, čo ste vždy chceli vedieť o klimatických modeloch - úvod ScienceBlog
Št, 19. 4. 2018 - 17:34 - Carbon Brief Počítačové modely sú jadrom výskumu v oblasti podnebia. Takéto modely sú nevyhnutné pre pochopenie zemského podnebia: či už pomáhajú výskumníkom objasniť cykly doby ľadovej, ktoré siahajú stovky tisíc rokov dozadu, alebo robiť prognózy pre toto alebo nasledujúce storočie. Britská platforma Carbon Brief poskytuje informácie o najnovšom vývoji v oblasti výskumu podnebia, politiky v oblasti podnebia a energetickej politiky v ľahko zrozumiteľnej forme a publikovala sériu článkov v diskusiách s odborníkmi na podnebie, ktoré zodpovedajú kľúčové otázky týkajúce sa modelov podnebia. Prvá časť tejto série sa točí okolo otázky: Čo je to klimatický model? *
Čo je to klimatický model?
Globálny klimatický model je obrovský. Program je zvyčajne v kódovanej podobe postačujúci na to, aby naplnil 18 000 vytlačených strán; Stovky vedcov dlhé roky pracovali na vytvorení a zdokonalení takéhoto programu a na jeho spustenie bude možno potrebný obrovský počítač s veľkosťou tenisového kurtu.
Samotné klimatické modely majú rôzne formy - od tých, ktoré pokrývajú iba určitú oblasť Zeme alebo určitú časť klimatického systému, až po tie, ktoré simulujú atmosféru, oceány, masy ľadu a oblasti pevniny pre celú planétu.
Výsledky takýchto modelov napredujú v výskume podnebia a pomáhajú vedcom pochopiť, ako ľudské činnosti ovplyvňujú klímu Zeme. Takýto pokrok bol za posledných päť desaťročí základom pre rozhodnutia o politike v oblasti klímy na vnútroštátnej a medzinárodnej úrovni.
V mnohých ohľadoch je klimatické modelovanie iba rozšírením predpovede počasia, ale zameriava sa skôr na zmeny, ku ktorým dochádza v priebehu desaťročí, a nie hodín. Britské stredisko Met Office Hadley Center v skutočnosti používa rovnaký „zjednotený model“ ako základ pre obe funkcie.
Obrovský výpočtový výkon potrebný na simuláciu počasia a podnebia znamená, že moderné modely fungujú na mohutných superpočítačoch. Napríklad tri nové superpočítače Cray XC40 (pozri súvisiace odkazy) v centre Met Office Hadley Center môžu vykonávať celkovo 14 000 biliónov aritmetických operácií za sekundu.
Čo presne si nájde cestu do klimatického modelu?
Klimatické modely v zásade používajú rovnice na vyjadrenie procesov a interakcií, ktoré ovplyvňujú klímu Zeme. Tieto rovnice zahŕňajú procesy v atmosfére, v oceánoch, na pevnine a v ľadom pokrytých oblastiach Zeme.
Modely sú založené na rovnakých zákonoch a rovniciach, ktoré sú základom pre pochopenie fyzikálnych, chemických a biologických mechanizmov v systéme Zeme. Vedci napríklad požadujú, aby sa klimatické modely riadili základnými fyzikálnymi zákonmi, ako napr
- zákon zachovania energie (prvý zákon termodynamiky), ktorý hovorí, že v uzavretom systéme nemôže byť energia vytvorená alebo stratená, ale je iba konvertovaná z jednej formy na druhú,
- Stefan-Boltzmannov zákon, ktorý popisuje tepelné žiarenie čierneho telesa v závislosti od jeho teploty a pomocou ktorého možno vysvetliť prirodzený skleníkový efekt, vďaka čomu je zemský povrch o 33 ° C teplejší, ako by bol inak,
- Rovnice pre dynamiku klimatického systému - pre závislosť teploty vzduchu a tlaku vodných pár (Clausius-Clapeyronova rovnica),
- najdôležitejším z týchto zákonov sú Navier-Stokesove rovnice pre prúdenie tekutín, ktoré zaznamenávajú rýchlosť (v), tlak (p), teplotu a hustotu (ρ) plynov v atmosfére a vody v oceánoch (obrázok 1).
Táto sada parciálnych diferenciálnych rovníc je však taká zložitá, že nie je známe ich presné riešenie (okrem niekoľkých jednoduchých prípadov). Zostáva jednou z veľkých matematických úloh (a každý, kto dokáže, že vždy existuje riešenie, má cenu vo výške miliónov dolárov). Namiesto toho sú tieto rovnice v modeli riešené „numericky“, čo znamená, že ide o aproximácie.
Každý z týchto fyzikálnych princípov sa prevádza do matematických rovníc, ktoré vypĺňajú riadok po riadku počítačového kódu - z toho možno vytvoriť viac ako 1 milión riadkov, aby sa vytvoril globálny klimatický model. Globálne klimatické modely sú často písané v jazyku „Fortran“, programovacom jazyku, ktorý vyvinula spoločnosť IBM v 50. rokoch minulého storočia a je štruktúrovaný ako ľudský jazyk. Malý úryvok z kódu modelu Met Office Hadley Center ukazuje, ako také riadky vyzerajú (obrázok 2). Keď sa model spustí, automaticky sa preloží do strojového kódu, ktorému počítač rozumie.
Mnoho ďalších programovacích jazykov je teraz k dispozícii aj pre výskum podnebia (napríklad „C“, „Python“, „R“, „Matlab“ a „IDL“), niektoré z nich však bežia pomalšie ako Fortran. Fortran a „C“ sa dnes bežne používajú na rýchle spustenie globálneho modelu na počítači.
Priestorové rozlíšenie
Rovnice v kóde programu popisujú základnú fyziku klimatického systému - od tvorby a topenia morského ľadu v arktických vodách po výmenu plynov a vlhkosti medzi povrchmi pevniny a vzduchom nad ňou.
Od polovice 70. rokov 20. storočia sa do globálnych klimatických modelov začleňovalo čoraz viac procesov súvisiacich s klímou. Obrázok 3 ukazuje zvyšujúcu sa zložitosť modelov až po 4. hodnotiacu správu („AR4“) Medzivládneho panelu pre zmenu podnebia (IPCC) v roku 2007, pričom novo pridané fyzické vzťahy sú symbolizované obrázkami.
Ako teda môže model vypočítať všetky tieto rovnice?
Pretože je klimatický systém veľmi zložitý a výkon počítača má svoje limity, model nemôže vypočítať všetky procesy súvisiace s klímou pre každý meter kubický klimatického systému. Namiesto toho položíte sieť na povrch Zeme a rozdelíte ju do série škatúľ alebo „buniek mriežky“. Globálny model podnebia môže zasahovať desiatky vrstiev nahor do atmosféry a dole do hlbín oceánov. Ako si to viete predstaviť v troch rozmeroch, je znázornené na obrázku 4.
Model teraz počíta stav klimatického systému pre každú bunku so zohľadnením teploty, tlaku vzduchu, vlhkosti a rýchlosti vetra.
Pre procesy, ktoré prebiehajú na mierkach menších ako bunka mriežky (napríklad konvekcia), model používa „parametrizácie“ - aproximácie, ktoré zjednodušujú procesy a umožňujú ich zahrnutie do modelu. (Parametrizáciám sa budeme venovať v ďalšej kapitole.)
Veľkosť buniek určuje priestorové rozlíšenie. Relatívne drsný klimatický model má bunky, ktoré sa tiahnu okolo 100 km v smere zemepisných dĺžok a zemepisné šírky v stredných zemepisných šírkach. Pretože Zem je guľa, bunky na rovníku sú väčšie ako na póloch. Preto sa čoraz viac používajú alternatívne siete, ktoré tento problém nemajú (mriežkové techniky ikosahedrálnej a „kockovej gule“).
Model s vysokým rozlíšením má potom viac a menších buniek. Čím vyššie rozlíšenie, tým konkrétnejšie informácie o klíme model poskytne pre určitý región - pretože je potrebných viac výpočtových operácií, je to na úkor dlhšieho výpočtového času. Všeobecne platí, že zvýšenie priestorového rozlíšenia dvojnásobne znamená, že na rovnaký výpočtový čas je potrebný desaťnásobok výpočtového výkonu.
Ako sa zlepšilo priestorové rozlíšenie medzi 1. hodnotiacou správou (FAR 1990) a 4. hodnotiacou správou (AR 4 2007) IPCC, zobrazuje obrázok 5. Je jasne viditeľné, ako bola vytvorená topografia povrchu krajiny.
Časové rozlíšenie
Podobný kompromis ako pri priestorovom rozlíšení treba urobiť aj pri časovom rozlíšení - t.j. ako často model počíta stav vyrobeného podnebia. V skutočnom svete je čas nepretržitý, ale aby ho výpočty zvládli, musí ho model rozdeliť na jednotlivé časti.
„Každý klimatický model to nejakým spôsobom robí, najbežnejším prístupom je nejaká metóda„ preskočenia “, vysvetľuje Paul Williams, profesor výskumu atmosféry na univerzite v Readingu.“ Ako jedno dieťa preskočí druhého na ihrisku Dieťa prichádza zozadu spredu, takže model preskakuje prítomnosť, aby sa dostal z minulosti do budúcnosti. “
Model preto berie informácie, ktoré má z minulého a súčasného obdobia, na extrapoláciu na ďalšie obdobie a potom pokračuje týmto spôsobom.
Rovnako ako veľkosť buniek mriežky, aj kratšie časové obdobia znamenajú, že model poskytuje presnejšie informácie o klíme. Znamená to však tiež viac aritmetických operácií v každom kroku.
Napríklad na výpočet stavu klimatického systému pre každú minútu celého storočia je potrebných viac ako 50 miliónov aritmetických operácií na bunku mriežky, ale iba 36 500 operácií za deň. To je celkom škála - tak ako sa vedci rozhodnú, aký časový krok použijú?
Tu musíte nájsť kompromis, hovorí Paul Williams:
"Z matematického hľadiska by bolo správnym prístupom skrátenie časového obdobia, kým sa simulácie nezblížia a výsledky sa nebudú meniť. Zvyčajne nám však chýbajú výpočtové zdroje pre modely s takým malým časovým intervalom. Takže sme nútení prijať väčší časový krok, ako sme ideálne chceli. ““
Pre atmosférickú zložku klimatických modelov sa časový krok okolo 30 minút javí ako „rozumný kompromis“ medzi presnosťou a časom procesora, hovorí Williams:
„Ak je interval kratší, vyššia presnosť by nebola dostatočná na to, aby odôvodnila ďalšie výpočtové úsilie. S každým dlhším intervalom by model bežal veľmi rýchlo, ale so stratou kvality simulácie.“
Zhrnutie
Vedci prekladajú základné fyzikálne rovnice podnebia Zeme do počítačového modelu, ktorý potom dokáže simulovať napríklad cirkuláciu oceánov, cyklus ročných období a cyklus uhlíka medzi povrchmi pevniny a atmosférou. Gavin Schmidt, riaditeľ NASA Goddardovho inštitútu pre vesmírne štúdie, vo svojej prednáške TED z roku 2014 ukazuje, aké efektívne sú dnešné klimatické modely: Simulujú všetko od odparovania vlhkosti na zemskom povrchu až po vznik oblakov, nech ich vietor nesie kamkoľvek. a kde konečne prší (pozri súvisiace odkazy). Klimatický model bežiaci v 30-minútových intervaloch je schopný generovať reprezentáciu celého klimatického systému počas mnohých desaťročí alebo dokonca storočí.
* Tento článok je domovskou stránkou publikácie Carbon Brief: „Otázky a odpovede: Ako fungujú klimatické modely?“ a je začiatkom série niekoľkých autorov, ktorá bola uvedená do režimu online 15. januára 2018: https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work. Článok, ktorý podlieha licencii cc-by-nc-nd 4.0, bol redakčným tímom preložený čo najviac doslovne z angličtiny po dohode s Carbon Brief a schválený Carbon Brief.
Carbon Brief je webová stránka Spojeného kráľovstva, ktorá sa venuje najnovšiemu vývoju v oblasti vedy o klíme, politiky v oblasti podnebia a energetickej politiky. Stránka sa snaží poskytovať jasné články a ilustrácie založené na dátach, ktoré pomôžu zlepšiť pochopenie zmeny klímy zo strany vedy a politiky. V roku 2017 bol časopis Carbon Brief na prestížnom ocenení Online Media Awards ocenený ako „Najlepšie špecializované miesto pre žurnalistiku“.
súvisiace odkazy
Informácie o Carbon Brief: https://www.carbonbrief.org/about-us
Inštalácia záverečnej fázy superpočítača Met Office (2017). Video 1:51 min. Štandardná licencia YouTube. https://www.youtube.com/watch?time_continue=18&v=q4uKS_wcfow
Gavin Schmidt, Vznikajúce vzorce zmeny podnebia. (2014). Video 12:10 min (nemecké titulky) TED Talk; Štandardná licencia YouTube. 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
Laboratórium geofyzikálnej dynamiky tekutín: https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/
Peter Lemke: Dokumentácia: Stroj na počasie a podnebie: http://www.klimafakten.de/klimawwissenschaft/dossier-die-wetter-und-klima.
Ľad, more a podnebie - pochopenie našej Zeme polárnym a morským výskumom. Video 7:24 min (2016). https://www.youtube.com/watch?v=tqLlmmkLa-s, Čo musíme urobiť, aby sme porozumeli klimatickému systému Zeme? Film ukazuje, ako inštitút Alfreda Wegenera neustále dešifruje systém Zeme pomocou polárneho a morského výskumu. Štandardná licencia YouTube.
Článok v ScienceBlogu
Peter Lemke, 30. októbra 2015: Ako príroda a ľudia ovplyvňujú podnebie a ako to ovplyvňuje energetickú rovnováhu Zeme
Peter Lemke: 6. novembra 2015: Výkyvy podnebia, zmena podnebia - čo bude ďalej?