Kliimaprotsesside modelleerimine. Klimatoloogia Kliimamuutuste prognoosimise üldised tsirkulatsioonimudelid

Saada oma head tööd teadmistebaasi on lihtne. Kasutage allolevat vormi

Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.

Sissejuhatus

1. Globaalne simulatsioon

Kirjandus

Sissejuhatus

Teaduse ja tehnoloogilise progressi praegune etapp, mis on seotud teadlikkusega Maa globaalsest ökoloogilisest olukorrast koos sellele iseloomulike piiratud energia-, geoloogiliste, biogeotsenootiliste ja muude ressurssidega, tõstab esile globaalsete keskkonnateadmistega seotud teaberessursi probleemi - teadmised inimese ja looduse evolutsiooni tingimused. Selle ressursi taseme määras aastatuhandeid Hoto sapiens'i nõrgalt korreleerunud koguaktiivsus ja see oli kuni tööstusajastu alguseni suhteliselt väike. Siis, üsna kiire ajaloolise lähenemisega olukorrale, mil inimkonna määravaks strateegiaks sai äriline suhtumine biosfääri ja kui ilmnes ökoloogiline ummik, tõusis inforessurss olulisuse skaalal piirväärtuste lähedale.

Igal keskkonnaprobleemil on "avatus", süsteemi kaasamine globaalsed probleemid modernsus, millest peamine on inimkonna homöostaasi säilitamine (Kondhayev, 2000). See tähendab, et kahekümnenda sajandi lõpus tekkinud ja realiseerunud "äikesetorm biosfääri kohal" seadis tsiviliseeritud maailmale Homo Sapiensi liikide ellujäämise ja sellest tulenevalt vastutustundliku suhtumise probleemi loodusesse. . Samal ajal astusid ökoloogilised ja moraalsed probleemid vastasmõjusse samal ajal.

1. Globaalne simulatsioon

Peal praegune etapp teaduse ja tehnoloogia areng keskkonnakaitse valdkonnas on käimas intensiivsed arengud, mille analüüs võimaldab tuvastada omadused keskkonnateadmised ja rakendatavate meetodite probleemid, et luua põhinõuded tõhusale infotehnoloogiale. Seisundi jälgimise süsteemide loomise üks eeldusi keskkond oli erineva kvaliteediga andmete ja nende loodud paljude matemaatiliste mudelite olemasolu erinevat tüüpi(tasakaal, optimeerimine, evolutsiooniline, statistiline jne). Sünteesitakse parametriseerimise ja reeglina seaduspärasuste lineariseerimise alusel looduslik fenomen need mudelid hõlmavad laia valikut globaalsete, piirkondlike ja lokaalsete geoloogiliste, ökoloogiliste, okeanoloogiliste, biogeokeemiliste ja biogeotsenootiliste protsesside deterministlikke ja tõenäosuslikke kirjeldusi. Valdav enamus neist on keskendunud elussüsteemide tunnuste teoreetilisele mõistmisele. kõrge tase kasutades olemasolevaid teadmisi ja vaid väike osa on suunatud esimestele sammudele praeguse globaalse keskkonnaolukorra objektiivse hindamise suunas. Erinevate eesmärkide ja matemaatilise kirjeldusaparaadi poolest osutuvad paljud mudelid sunniviisiliselt konarlikuks nii infobaasi piiratuse, ebatäielikkuse ja alamääratluse tõttu kui ka kaasaegsete instrumentaalsüsteemide puudumise tõttu simulatsioonikatse valdkonnas. Biosfääri vaadeldavate komponentide arvu suurendamine uuritavate mudelite adekvaatsuse suurendamiseks, nagu teada, toob kaasa nende multiparameetrilise olemuse, s.t. "mitmemõõtmelisuse needuse" probleemile.

Peamise vahendina nende tunnuste lahendamisel peavad mitmed autorid põhjendatult simulatsioonimodelleerimise meetodit, mis võimaldab erinevate matemaatiliste formalismidega seotud erineva kvaliteediga andmeid "liita" ja eemaldada multiparameetrilisust. Soovitud mudel on sel juhul üles ehitatud empiirilise info põhjal, mida ei piira eelnevalt mingi matemaatilise aparaadi raamistik, mis määrab formaliseerimise "pehmuse", mis on vältimatu juhtudel, kui nähtuste olemuslikud mustrid on teadmata.

Paljude teadlaste sõnul on simulatsioonimodelleerimise arendamine teabebaasi laiendamise, formaalsete ja mitteametlike meetodite kombineerimise kaudu vajaliku mudeli järkjärgulise sünteesi protsessis ja lõpuks inimese aktiivne ühendamine arvutiga dialoogiga. annab tõhusa tehnoloogia süsteemseks ökoloogiliseks modelleerimiseks. Kuid isegi praegu selgub, et olukord pole nii selge. Tõepoolest, kui võrrelda selles valdkonnas saadaolevaid teabepäringuid keskkonnaprobleemid ja nende lahenduse olemasolevat infotuge (erinevad matemaatilised ja simulatsioonimudelid, keskkonnainfo töötlemise põhimõtted), on hästi näha, et mitte kõik looduslikud ja antropogeensed kompleksid on välja töötatud aparaat nende kirjeldamiseks ja veelgi enam efektiivsete kujundamiseks infotehnoloogiad et saada vajalikke hinnanguid probleemolukordadele. Sellega seoses tekkivad raskused ei tulene mitte ainult ja mitte niivõrd erinevat tüüpi mudelite kogunemise tehnilisest olemusest. Need tunnused avalduvad kõige selgemalt globaalses modelleerimises, mille kogemus on näidanud olulist ja põhimõtteliselt eemaldamatut teadmiste puudulikkust looduses toimuvate protsesside kohta, mis väljendub nii empiiriliste andmete killustatuses kui ka adekvaatse idee puudumises looduses toimuvate protsesside kohta. evolutsiooni mustrid. looduslikud protsessid. Juba praegu on selge, et mudelihierarhiate mehaaniline kogum ja soov akumuleerida empiiriliste andmete panku on katse taaselustada primitiivseid arutlusskeeme biosfääriliste protsesside arengu tervikliku pildi kohta ilma edulootuseta, ilma selgitusvõimaluseta. elussüsteemide võime püsivalt iseorganiseeruda ja ilma märkimisväärse eduta loodus-ühiskonna süsteemi väljakujunenud toimimismehhanismi mõistmisel. Olukord on selline, et on vaja kasutada arvutitehnoloogiaid, mis ühendavad evolutsioonilise ja simulatsiooni modelleerimise meetodid. See võimaldab võtta arvesse modelleeritavate protsesside struktuuri sisemist dünaamikat (arengut) ja adaptiivselt sünteesida mudeleid andmete mittetäielikkuse ja osalise usaldusväärsuse tingimustes.

Traditsioonilised lähenemisviisid globaalse mudeli konstrueerimisel puutuvad kokku paljude sotsiaalmajanduslike ja klimaatiliste protsesside algoritmilise kirjeldamisega, mistõttu tuleb tegeleda teabe ebakindlusega. Globaalse modelleerimise väljatöötatud lähenemisviisid lihtsalt ignoreerivad seda ebakindlust, mistõttu mudelite struktuur ei kajasta piisavalt tegelikke protsesse. Evolutsioonilise ja simulatsiooni modelleerimise ühine kasutamine võimaldab selle puuduse kõrvaldada kombineeritud mudeli sünteesimise teel, mille struktuur allub kohandamisele biosfääri ja klimaatiliste komponentide kompleksi eelloo põhjal. Samas saab mudeli realiseerimist kombineerida ka erinevates mudeliklassides, kasutades traditsiooniliste arvutite tarkvaratööriistu ja evolutsioonilist tüüpi spetsiaalseid protsessoreid. Sellise kombinatsiooni vorm on mitmekesine ja sõltub globaalsete andmebaaside aegruumi täielikkusest.

Olemasolev globaalse modelleerimise kogemus on täis näiteid ületamatutest raskustest, püüdes leida viise, kuidas kirjeldada teaduse ja tehnika arengut ning inimtegevust selle erinevates ilmingutes. Vähem raskusi ei teki ka kliima modelleerimisel, mida iseloomustab erinevate ajaliste varieeruvusmääradega protsesside superpositsioon. Mis puudutab kirjelduse täielikkust globaalses mudelis, siis siin on võimatu selgelt välja tuua infoturbe piire ning vajaliku ruumilise ja struktuurilise detaili piire. Seetõttu, süvenemata globaalsete probleemide loodusfilosoofilisse analüüsi ja püüdmata anda ammendavat retsepti globaalseks modelleerimiseks, käsitleme ainult ühte võimalikest viisidest, mis peegeldavad seda, kuidas evolutsiooniline modelleerimine spetsiaalses protsessorirakenduses võimaldab meil ülaltoodut ületada. - mainitud raskusi.

Evolutsioonilise mudeli kohandamine vastavalt looduslike rütmide eelajaloole võimaldab saada mudeli, mis implitsiitselt jälgib loodus-ühiskonna süsteemi erinevaid dünaamika mustreid minevikus ja võimaldab ennustada sama ajarütmi. Mudeli spetsiaalne protsessoriversioon eemaldab täielikult kõik algoritmilised ja arvutuslikud raskused, mis tekivad globaalmudeli suure mõõtme ja paljude parameetriliste määramatuste olemasolu tõttu.

2. Kliimaprotsesside modelleerimine

Loodus-ühiskonna süsteemi klimaatiline komponent tekitab globaalse mudeli sünteesimisel kõige suuremaid raskusi, kuna seda iseloomustab suur hulk tagasisidet, millest enamik on ebastabiilsed. Nende hulgas on jääalbeedo, veeaur-kiirgus, pilvisus-kiirgus, aerosoolkiirgus ja paljud teised.antropogeensed struktuurid. Seetõttu eeldab kliimamudeli koostamine paljude tegurite arvessevõtmist, mille rollist selle kujunemisel paljudel juhtudel hästi ei mõisteta. Katsed Maa kliimasüsteemi igakülgselt matemaatiliste meetoditega kirjeldada ei ole veel andnud tulemusi, mida saaks kasutada Riigi Ajaloomuuseumis.

Globaalse mudeli sünteesil on kaks lähenemisviisi. Üks lähenemisviis põhineb biosfääri komponentide kaasamisel loodud või arendatud kliimamudelitesse. Teine lähenemine on biosfääri matemaatilise mudeli raames välja töötada plokk, mis simuleeriks biosfääri komponentide sõltuvust kliimaparameetritest. Esimesel juhul on probleeme vastavate diferentsiaalvõrrandisüsteemide lahenduste ebastabiilsusega, mis raskendab prognoosivate hinnangute saamist globaalsete keskkonnamuutuste kohta. Teisel juhul on võimalik saada stabiilseid keskkonnamuutuste prognoose, kuid nende usaldusväärsus sõltub kliima ja biosfääri elementide vaheliste korrelatsioonide parameetrite määramise täpsusest. Teise lähenemisviisi eeliseks on see, et see võimaldab ühendada kliimamudeleid biosfääri matemaatilise mudeliga, mida saab kirjeldada stsenaariumi tasemel. Kliima modelleerimise ja hindamise küsimuste üksikasjalik analüüs tipptasemel võib leida Marchuk ja Kondratiev (1992), Kondratiev (1999), Kondratiev ja Johannessen (1993). Siin käsitleme mitmeid loodus-ühiskonna süsteemi üksikute komponentide mudeleid, mis vastavad teisele lähenemisele. Nende hulgas on mudelid atmosfääri üldisest tsirkulatsioonist, atmosfääri ja ookeani vastastikusest mõjust, kliimaparameetrite tundlikkusest maapinna piirtingimustele, biogeokeemiliste ja klimaatiliste protsesside seostest jne.

Kliimasüsteem on füüsikalis-keemilis-bioloogiline süsteem, millel on piiramatu vabadusaste. Seetõttu on kõik katsed modelleerida nii keerulist süsteemi seotud ületamatute raskustega. Just see asjaolu seletab selle süsteemi üksikute protsesside parameetriliste kirjelduste mitmekesisust. Globaalse mudeli puhul, mille ajaline diskreetsusaste on kuni üks aasta, on vastuvõetav kasutada kahte võimalust: esimene võimalus on ühiselt rakendada seoseid konkreetse territooriumi kliima kujunemise protsesside vahel koos kliimastsenaariumitega. Teine võimalus põhineb globaalsete seireandmete kasutamisel, mis on aluseks andmeseeriate moodustamisel kliimaparameetrite kohta koos nende territoriaal-ajalise viitega ja mida kasutatakse nende ruumilise leviku täieliku pildi taastamiseks. Üks levinumaid korrelatsioonifunktsioone on variatsiooni sõltuvus keskmine temperatuur DT g „ atmosfääri CO 2 sisalduse kohta selles:

25, oh? 1

5,25 o 2 + 12,55 o - 7,3, o< 1

kus o on atmosfääri praeguse CO 2 sisalduse C a (t) suhe selle tööstusrevolutsioonieelse tasemega C a (1850).

(1) on näha, et T g on atmosfääri CO 2 koguse suurenev funktsioon. CO 2 koguse suurenemine atmosfääris 20% toob kaasa temperatuuri tõusu 0,3 °С võrra. Atmosfääri CO2 kahekordistumine põhjustab Tg tõusu 1,3 °C võrra. Funktsiooni (1) üksikasjalik analüüs ja DT g ja o täheldatud ühisvariatsioonide võrdlus näitavad, et mudeli (1) rakendamine võimaldab lihtsustada loodus-ühiskonna mudeli kliimaplokki. Täpsemalt, kui (1) kasutatakse atmosfääri CO 2 kontsentratsiooni kahekordistamiseks (DT g) 2[ CO2 ] arvutamiseks, siis praegune trend DT g muutmisel saate kasutada valemit:

DT g = (DT g) 2[ CO 2 ] 1po/ln2, (2)

kus tunnustatud hinnangute kohaselt on C a (1850) tööstusaegne väärtus 270 ppm.

Valem (2) lähendab hästi juba teadaolevaid andmeid veaga umbes 50%. Tõepoolest, (2) juures C a (1980) = 338 ppm järeldub, et DT g = 1, 3 ° K, samas kui paljud autorid hindavad tegelikku soojenemist 0, 6 ° K.

Kahtlemata viidi läbi viimased aastad arutelud kasvust tingitud kasvuhooneefekti üle osaline rõhk CO 2 tolli maa atmosfäär, peaks kajastuma Riigi Ajaloomuuseumis. Valem (1) võtab arvesse CO 2 mõju Mintzeri (1987) järgi on võimalik teiste kasvuhoonegaaside temperatuuriefekti arvestamist laiendada:

DT? \u003d DT CO 2 + DT N 2 0 + DT CH 4 + DT O 3 + DT C F C 11 + DT C F C 12, kus

DT CO 2 \u003d - 0,677 + 3,019 lp [C a (t) / C a (t o)],

DT N 20 = 0,057 ([ N 2 0 (t)] 1/2 - [ N 2 0 (t 0)] 1/2),

DT CH4 \u003d 0,19 ([CH4 (t)] 1/2 - [CH4 (t 0)] 1/2),

DT O 3 = 0,7/15,

DT С F С 11 \u003d 0,14 [СFС11 (t) - СFС11 (t 0)],

DT С F С 12 \u003d 0,16 [СFС12 (t) - СFС12 (t 0)] .

T 0 väärtus on identifitseeritud 1980. aastaga, mil kasvuhoonegaaside kontsentratsioonid eeldatakse olevat teada.

Lihtsate valemite hulgas keskmise temperatuuri laiuskraadide jaotuse arvutamiseks üle gloobus saate täpsustada Sergini (1974) pakutud skeeme

T (c) \u003d T g + g (sin 2 c T - sin 2 c) (3)

kus ts on laiuskraad radiaanides, r on temperatuuride erinevus pooluse ja ekvaatori vahel, ts T on laiuskraad, mille juures T(ts) = T g. Mudel kirjeldab rahuldavalt temperatuuri laiuskraadide kõikumisi aasta jooksul (Sergin, 1974):

T e - 2c (T e - T N) / p põhjapoolkeral,

T e - 2c (T e - T S) / p lõunapoolkeral,

T N , min +2t(T N , max - T N , min)/t D, tЄ;

T N , min +2(t D - t) (T N , max - T N , min)/ t D,tЄ;

T S , max +2t(T S , min - T S , max)/t D,tЄ;

T S , max +2(t D - t) (T S , min - T S , max)/ t D,tЄ;

T N , min (T S , min) ja T N , max (T S , max) minimaalne ja maksimaalne temperatuur vastavalt põhja- (lõuna-) poolusel °С; t D - aasta pikkus D ühikutes, T e - atmosfääri temperatuur ekvaatoril, ° C; Paljud autorid kasutavad selliseid hinnanguid,

kui T N , min = - 30 ° C, T N , max = 0 ° C, T S , min = - 50 ° C, T S , max = -10 ° C, T e = 28 0 C.

Loomulikult on sellistel tsoonide keskmistel temperatuuridel dispersioon, mis põhjustab olulisi vigu. Erinevate tegurite rolli täpsemaks kajastamiseks peamise kliimaparameetri, milleks on temperatuur, muutmisel on vaja arvutada iga teguri panus eraldi. Seda saab teha tagasisidete rolli aditiivsuse eeldusel:

DT a , lõplik = DT a + DT a , tagasiside

DT a , lõplik = DT a

Parameetrit b väljendatakse võimenduses g: b = 1/(1-g). Eksponendi g väärtus on samaväärne albeedoga b, mis in globaalses mastaabis on T a funktsioon. Selle sõltuvuse ligikaudse lähenduse saab esitada järgmisel kujul:

b jää juures T a? T jää,

b(T a) = b vaba T a? T vaba,

b vaba + b(T vaba - T) T jää juures<Т а < Т free

Siin T ice ja T free on planeedi keskmised temperatuurid, mille juures kogu Maa pind on vastavalt kaetud jääga või sellest vaba; b on Maa albeedo kriitiliste olekute vaheline üleminekutegur. Tavaliselt võetakse T i ce Є °K.

Lihtsate ja üsna karmide kliimamudelite kasutamist saab täpsustada, võttes arvesse tagasiside töötamise iseloomulikke aegu. Tabelis on toodud mõned hinnangud tasakaalu tekkimise aja kohta kliima allsüsteemide koosmõjul. 1. On näha, et Nature-Society süsteemis on reageerimise viivituste ajavahemik mitmekesine ning seda tuleb arvestada ühe või mitme kliima alamsüsteemi muutuste tagajärgede hindamisel. Eelkõige on Antarktika jääkilbi külmavarud nii tohutud, et selle temperatuuri tõstmiseks 0 °C-ni on vaja maailma ookeani keskmist temperatuuri 2 °C võrra alandada, s.o. viia see olekust Т 0 = 5,7 °С üle olekusse Т 0 = 3,7 °С. Võttes arvesse tabelis toodud andmeid. 1 sellise operatsiooni inerts on sadu aastaid. Antropogeensetel põhjustel täheldatud kliima soojenemise kiirusel veel selliseid energiakulusid ei ole.

Tabel 1

Mõne jaoks tasakaaluajad

Maa kliimasüsteemi alamsüsteemid

Mõjupiirkond kliimasüsteem	Arveldusaeg tasakaaluseisund
Atmosfäär: tasuta piirkiht
Maailma ookean: segatud kiht sügav ookean merejää	päevadest kuni 100 aastani
Mandrid järved ja jõed mulla-taimestiku moodustised lumikate ja pinnajää
mägiliustikud
jäälehed
Maa mantel	30 kuud

Antropogeense mõju mehhanism kliimasüsteemile avaldub kasvuhoonegaaside emissioonides ja maakatete rekonstrueerimisest tingitud albeedomuutustes, veeringe häirimises ja õhusaastes. Aerosooliosakesi raadiusega 10 -7 h10 -2 cm leidub peaaegu kõigil atmosfääri kõrgustel. Mitte-antropogeense päritoluga osakesed satuvad atmosfääri maa või ookeani pinnalt ning tekivad ka gaasidevaheliste keemiliste reaktsioonide tulemusena. Inimtekkelist päritolu osakesed tekivad peamiselt kütuse põlemisel. Tabel 1 annab ülevaate nende osakeste voogude vahelisest seosest atmosfääri. 2.

tabel 2

Alla 20 mikroni raadiusega osakeste voogude hinnangud, mis paisatakse atmosfääri või tekivad selles (Butcher, Charleson, 1977)

Omamoodi osakesed	Osakeste arv, 10 6 t/aastas
Loodusliku päritoluga osakesed (ilmastikumõjud, erosioon jne)
Metsatulekahjude ja metsajäätmete põletamise osakesed
Meresool
Vulkaaniline tolm
Gaaside eraldumise käigus tekkinud osakesed: looduslikud protsessid sulfaadid H2S-st ammooniumisoolad HN 3-st nitraadid N0 x-st vesinikkarbonaadid taimsetest ühenditest antropogeensete protsesside käigus SO2 sulfaadid NO x nitraadid bikarbonaadid
Atmosfääri paisatud osakeste koguhulk: loomulikel põhjustel antropogeensetel põhjustel
Osakeste koguvoog atmosfääri

Osakeste mõju mehhanism atmosfääri temperatuurile on seletatav asjaoluga, et Maale langev päikesekiirgus, peamiselt vahemikus 0,4–4 µm, peegeldub ja neeldub osaliselt. Sel juhul muutub süsteemi "Maa pind – atmosfäär" globaalne albeedo. Lisaks mõjutavad osakesed niiskuse kondenseerumisprotsesse atmosfääris, kuna nende osalusel tekivad pilved, vihm ja lumi. Kasutame süsteemi "Maa pind-atmosfäär" soojusbilansi võrrandit:

(1-b) E 0 * + E a - yT S 4 \u003d 0, (4)

kus T S on süsteemi kiirguse keskmine efektiivne temperatuur, mis on lähedane keskmise energiataseme temperatuurile pinna lähedal 400 mb, E 0 *=0,487 cal cm -2 min -1 - sissetuleva päikesekiirguse keskmine intensiivsus poolkera jaoks; b- albedo; y \u003d 8,14-10 "" cal cm -2 min -1 Stefan-Boltzmanni konstant, E a - inimtekkeliste energiaallikate koguintensiivsus pinnaühiku kohta.

Olgu albeedo b = b 0 - Db, kus b 0 = 0,35 - albeedo tänapäevastes tingimustes, Db - väike osa albeedost, mis on määratud inimtekkeliste aerosoolide mõjuga. Võrrandist (4) saame temperatuuri avaldise:

T S \u003d [ E 0 * (1-b) / a] 1/4 1/4 (5)

Eeldusel, et db<< 1 и Е а /Е 0 *<< 1, разложим функцию правой части уравнения (5) в ряд Тейлора по степеням Дб и Е а / Е 0 * и выпишем первые члены ряда:

T S \u003d [ E 0 * (1-b 0) / a] 1/4 (1 + 0,25 dB (1-b 0) -1) (6)

(6) järeldub, et temperatuur mitte liiga tugevate inimtekkeliste mõjude korral on terminite summa, mis kirjeldab suhteid süsteemis "Maa pind-atmosfäär", võtmata arvesse inimtekkelisi tegureid, ja terminite T 1 ja T 2 summa, mis väljendab soojuse ja aerosoolide heitkoguste osakaal vastavalt:

T 1 \u003d 0,25 (1-b 0) -1 [ E 0 * (1- b 0) / y] 1/4 E a / E 0 * \u003d 96,046 E a / E 0 *,

T 2 = 0,25 (1 - b 0) -1 [ E 0 * (1 - b 0) / y] 1/4 dB \u003d 96,046 dB,

Pange tähele, et T 1 lisamine tänapäevastes tingimustes on väga väike. Kui võtame E a \u003d 4 10-5 cal cm -2 min -1 ja seega E a / E 0 *= 8,21 -10 - 4, siis T 1 \u003d 0,0079 ° С. Seega on maailma energia otsene mõju atmosfääri keskmisele temperatuurile praegu tähtsusetu. T 1 avaldisest tuleneb, et õhutemperatuuri tõstmiseks 0,5 °C võrra soojuse eraldumise tõttu peab olema täidetud tingimus E a / E 0 * = 0,0052, mis tähendab inimtekkeliste soojusvoogude suurenemist keskkonda. 63,4 korda. See võrdub energia vabanemisega 570 10 9 tonni tavakütuse põletamisel aastas.

Kui eeldada, et energia tootmine on proportsionaalne rahvaarvuga, siis Т 1 = 96,046 k TG Gу S / Е 0 * , kus G on rahvastiku tihedus, inimest / km 2; S - maa-ala, km 2; k TG - toodetud energia hulk inimese kohta, cal / min.

Kui jätta tähelepanuta aerosooli mõju atmosfääri termilisele režiimile, siis on otsekiirgus E, selle muutus dE ja atmosfääri hägususe muutus dB seotud võrrandiga: dE / E = k B dB, kus k B = 0,1154 km 2 / t on proportsionaalsuse koefitsient, B - inimtekkelise päritoluga aerosoolide kogus, t / km 2. Pärast selle võrrandi integreerimist saame: E \u003d E 0 * (1-b 0) exp (-k B B). Teisest küljest on albedo määratluse kohaselt E \u003d E 0 * (1- b) \u003d E 0 * (1- b 0 + dB). Võrdsustades need avaldised E jaoks, saame Db \u003d - (1-b 0). Seetõttu on aerosoolide antropogeense atmosfäärireostusega seotud temperatuurimuutus võrdne:

T 2 \u003d -0,25 [E 0 * (1-b 0) / a] 1/4 = -62,43

Kuna inimtekkelise päritoluga aerosoolide keskmine eraldumine on paljude autorite hinnangul 300 10 6 t/aastas ning aerosoolide keskmine viibimisaeg atmosfääris on hinnanguliselt 3 nädalat, siis on osakesi keskmiselt 17,262 10 6 t. õhkkond. T 2 valemist järeldub antud juhul, et atmosfääri temperatuur peaks langema 0,84 °C/aastas.

Paljud autorid peavad indikaatori b asemel atmosfääri hägusustegurit В T, defineerides seda reaalses atmosfääris päikesekiirguse energia sumbumise koefitsiendi b r suhtena ideaalses atmosfääris sumbumise koefitsiendi b I:

B T = b r / b I = (b I + b W - b A)/ b I , kus b W ja b A on vastavalt veeauru ja aerosoolide sumbumiskoefitsiendid. Riigi Ajaloomuuseum on võtnud vastu järgmised hinnangud:

3 keskmistel laiuskraadidel,

B T = 3,5 troopilistel laiuskraadidel,

2 vähendatud tolmu- ja veeaurusisaldusega.

Maa kliima modelleerimise kogemus viitab sellele, et paljude autorite soov võtta võimalikult täpselt ja täielikult arvesse kõiki võimalikke tagasisidesid ja kliimasüsteemi elemente viib keeruliste matemaatiliste probleemideni, mille lahendamine nõuab tohutul hulgal andmehulka ja enamasti osutuvad vastavate võrrandite lahendid ebastabiilseteks. Seetõttu toob selliste keeruliste mudelite kasutamine KPO süsteemi globaalse mudeli plokina paratamatult kaasa negatiivse tulemuse, s.t. tõhusa mudeli sünteesimise võimatuseni. Kõige lootustandvam lähenemisviis on kliimamudelite kombineerimine globaalsete seireandmetega. Sellise kombinatsiooni skeem on väga lihtne. Olemasolevad maapealsed ja satelliitsüsteemid kliimatekke protsesside jälgimiseks katavad teatud osa maapinna rakkudest (Sij). Nende rakkude kohal mõõdetakse temperatuuri, hägusust, veeauru, aerosoolide ja gaaside sisaldust, albeedot ja paljusid muid energiavoogude parameetreid. Lihtsate kliimamudelite, aga ka ruumilise aja interpolatsiooni meetodite kasutamine võimaldab nende mõõtmiste põhjal rekonstrueerida tervikliku pildi kliimaparameetrite jaotusest kogu Kilbi territooriumil.

Sotsiaalne aspekt sisenes ühiskonna ja looduse suhete harmooniaprobleemidega interaktsiooni valdkonda. Biosfääri saatus sõltub sellest, kuidas Maa elanikkond lahendab kiiresti probleemid optimaalse tasakaalu leidmisel "mõistliku" ja "põhjendamatu" keskkonnahoiaku vahel. Pealegi, nagu mudelihinnangud on näidanud, peaks 90% kogu inimkonnast sellega leppima. Kuid on ebatõenäoline, et praegusel ajalooetapil suudab selline osa elanikkonnast teadlikult oma moraalsete ja eetiliste põhimõtete kohaselt valutult ja vabatahtlikult üle minna looduse vallutaja positsioonilt uute harmooniliste loodusevaheliste suhete arendamise positsioonile. ja ühiskonda. Globaalse harmoonia saavutamiseks on vaja keskenduda negatiivsetele keskkonna- ja sotsiaalmajanduslikele muutustele, et keskkonnateadmised saaksid ellu viidud, s.o. see tuleks viia konstruktiivsete rakenduste staadiumisse spetsiifiliste tehnoloogiate näol, mis tagavad keskkonnakaitse valdkonnas kvaliteetse otsustusprotsessi.

Kirjandus

1. V.F. Krapivin, K.Ya. Kondratjev. "Globaalsed keskkonnamuutused: ökoinformaatika" - Peterburi, 2002

2. http://climate2008.igce.ru/v2008/htm/1.htm- KLIIMAMUUTUSTE JA NENDE MÕJUDE KOHTA VENEMAA FÖDERATSIOONI TERRITOORIUMILE HINDAMISARUANNE

Sarnased dokumendid

Tutvumine kliimakõikumiste ja globaalse temperatuuri indeksite võrdlemise iseärasustega Maa tiirlemise kõikumisega. ENSO nähtus kui peamine ookeani-atmosfääri võnkumiste moodus, mida regulaarselt täheldatakse Vaikse ookeani ekvatoriaalses osas.

lõputöö, lisatud 26.08.2017


Ökoloogiliste süsteemide ja protsesside modelleerimise protsessi metoodilised ja teoreetilised alused. Pindaktiivsete ainete mõju uurimine veetaimedele elodea näitel. Sünteetiliste detergentide komponentide võrdlev analüüs.

kursusetöö, lisatud 23.01.2013


Modelleerimise üldpõhimõtted ja ülesanded. Kiskja-saagi mudeli üldkontseptsioon. Kahte tüüpi võistlusi. Mitmetasandilise mosaiikmetsa kontseptsioon, lõhede modelleerimine. Ida-Siberi boreaalsete metsade ökosüsteemi matemaatiline mudel. Modelleerimise probleemid ökoloogias.

kursusetöö, lisatud 12.03.2012


Muldades toimuvate protsesside matemaatiliste mudelite väärtus. Muldade soojus- ja temperatuurirežiimide matemaatiline mudel, muldade veerežiim. Huumuse akumulatsiooniprotsesside mudeli tunnused ja agroökosüsteemide produktiivsuse modelleerimise eripärad.

kursusetöö, lisatud 31.05.2012


Matemaatiline modelleerimine ökoloogias. "Predator-Prey" tüüpi liikidevaheline interaktsioon. Seoste arvutimodelleerimine. Võrrandisüsteemi statsionaarsed punktid. Faasitrajektooride konstrueerimine isokliinmeetodil. Probleemi numbriline simulatsioon.

abstraktne, lisatud 12.09.2012


Looduslik-tehnogeensete komplekside modelleerimisprotsesside tunnused. Raskmetallide ja kergete naftatoodete liikumise mudel. Looduslik-tehnogeensete komplekside toimimise prognoosimine. Põhjavee mineraliseerimine melioratsioonisüsteemides.

abstraktne, lisatud 01.07.2014


Igikeltsa tsoon, selle omadused. Globaalsete kliimamuutuste dünaamika ja tagajärjed; määramatuse hindamine. Geokrüoloogiliste riskide prognoosimine infrastruktuurile. Metaani emissiooni mõju igikeltsa lagunemise ajal.

abstraktne, lisatud 07.11.2014


Osooni üldised omadused ja selle tekkega kaasnevad protsessid. Osooni tähtsus kliimasüsteemi toimimises, selle jaotus kõrgusega. Atmosfääri tsirkulatsiooni mõju osonosfääri dünaamikale, hävimise põhjused ja tagajärjed.

kursusetöö, lisatud 10.05.2011


Süstemaatilise lähenemise kontseptsioon keskkonnaprobleemide lahendamisel. Ökoloogiliste mudelite ja protsesside simulatsioonmodelleerimine. Pinnase reostuse määramise ja mulla omaduste mõõtmise instrumendid. Seade mürgisuse ekspressanalüüsiks "Biotoks-10M".

kursusetöö, lisatud 24.06.2010


Gröönimaa kliima (soojenemise ja jahenemise) olukorra uurimine möödunud ajastutel Spa meetodil. Süvamere puurimisjaama asukoht Atlandi ookeani põhjaosas. Lääne-Siberi kliima ja maastike olukorra uurimine holotseeni perioodil.

Alates eelmise sajandi lõpust on märgata erilist huvi kliimamuutuste vastu. See on tingitud muutuste suurenemisest looduses, mis on ilmne juba lihtsa võhiku tasemel. Kuivõrd on need muutused tingitud looduslikest protsessidest ja mil määral on need seotud inimtegevusega? Täna aitab meil seda välja mõelda vestlus ekspertide, Venemaa Teaduste Akadeemia Arvutusmatemaatika Instituudi juhtivate teadlastega. Jevgeni Volodin ja Nikolai Diansky, kellega täna räägime, tegelevad instituudis kliimamodelleerimisega ja on Venemaa liikmed rahvusvahelises kliimamuutuste paneelis ( Valitsustevaheline kliimamuutuste paneel, IPCC).

— Millised globaalse kliimamuutuse faktid on uuringutes kajastatud ja neljandas hindamisaruandes kaasatud?

— Me kõik tunneme kliimasoojenemise tagajärgi isegi majapidamise tasandil — näiteks talved on muutunud soojemaks. Kui pöörduda teaduslike andmete poole, näitavad need ka, et 11 aastat viimasest 12 aastast on kõige soojemad kogu globaalse temperatuuri instrumentaalvaatluste perioodi jooksul (alates 1850. aastast). Viimase sajandi jooksul on globaalne keskmine õhutemperatuur muutunud 0,74 °C võrra, kusjuures viimase 50 aasta lineaarne temperatuuritrend on olnud peaaegu kaks korda suurem sajandi vastavast väärtusest. Kui rääkida Venemaast, siis suuremas osas meie riigist on viimase 20 aasta talvekuud olnud keskmiselt 1-3 kraadi soojemad kui eelneva kahekümne aasta talved.

Kliimamuutus ei tähenda lihtsalt temperatuuri tõusu. Väljakujunenud mõiste "globaalne kliimamuutus" tähendab kõigi geosüsteemide ümberstruktureerimist. Ja soojenemist käsitletakse ainult muutuste ühe aspektina. Vaatlusandmed näitavad maailma ookeani taseme tõusu, liustike ja igikeltsa sulamist, sademete ebatasasuse suurenemist, jõgede vooluhulga muutusi ja muid kliima ebastabiilsusega seotud globaalseid muutusi.

Olulised muutused on toimunud mitte ainult keskmistes kliimaomadustes, vaid ka kliima muutlikkuses ja äärmuslikkuses. Paleoklimaatilised andmed kinnitavad käimasolevate kliimamuutuste ebatavalist olemust, vähemalt viimase 1300 aasta jooksul.

— Kuidas tehakse teaduslikku kliimaprognoosi? Kuidas kliimamudeleid ehitatakse?

— Kaasaegse klimatoloogia üks olulisemaid ülesandeid on kliimamuutuste ennustamine järgmistel sajanditel. Kliimasüsteemis toimuvate protsesside keerukus ei võimalda prognooside saamiseks kasutada minevikutrendide ekstrapoleerimist ega statistilisi ja muid puhtalt empiirilisi meetodeid. Selliste hinnangute saamiseks on vaja koostada keerukad kliimamudelid. Selliste mudelite puhul püüavad eksperdid kõige täielikumalt ja täpseimalt arvesse võtta kõiki ilma ja kliimat mõjutavaid protsesse. Veelgi enam, prognooside objektiivsus paraneb mitme erineva mudeli kasutamisel, kuna igal mudelil on oma eripärad. Seetõttu on praegu käimas rahvusvaheline programm, mille eesmärk on võrrelda erinevate kliimamudelite abil saadud kliimamuutuste prognoose IPCC pakutud stsenaariumide alusel võimalike tulevaste muutuste kohta atmosfääri kasvuhoonegaaside, aerosoolide ja muude saasteainete sisalduses. Selles programmis osaleb Venemaa Teaduste Akadeemia Arvutusmatemaatika Instituut (INM RAS). Kokku hõlmab see umbes kahte tosinat mudelit erinevatest riikidest, kus selliste mudelite loomiseks vajalikud teadusvaldkonnad on saanud piisava arengu: USA-st, Saksamaalt, Prantsusmaalt, Suurbritanniast, Venemaalt, Austraaliast, Kanadast, Hiinast...

Maa kliimamudeli põhikomponendid on atmosfääri ja ookeani üldised tsirkulatsioonimudelid ehk nn ühismudelid. Samal ajal on atmosfäär kliimamuutuste peamise "generaatorina" ja ookean on nende muutuste peamine "akumulaator". INM RASis loodud kliimamudel reprodutseerib atmosfääri ja maailmamere laiaulatuslikku tsirkulatsiooni vaatlusandmetega heas kooskõlas ning kvaliteetselt, mis ei jää alla tänapäevastele kliimamudelitele. See saavutatakse peamiselt tänu sellele, et atmosfääri ja ookeani üldise tsirkulatsiooni mudelite loomisel ja häälestamisel suudeti tagada, et need mudelid (võrguühenduseta režiimis) reprodutseerivad üsna hästi atmosfääri ja ookeani kliimatingimusi. . Veelgi enam, enne tulevaste kliimamuutuste ennustamist kontrolliti (teisisõnu testiti) meie kliimamudelit, nagu ka teisi, mineviku kliimamuutuste taastootmist 19. sajandi lõpust tänapäevani.

— Ja millised on simulatsiooni tulemused?

— Oleme IPCC stsenaariumide alusel läbi viinud mitmeid katseid. Kõige olulisemad neist on kolm: suhteliselt pessimistlik stsenaarium (A2), kus inimkooslus areneb keskkonnale tähelepanu pööramata, mõõdukas (A1B), kui kehtestatakse sellised piirangud nagu Kyoto protokoll ja optimistlik (B1) – inimtekkelise mõju tugevamate piirangutega. Veelgi enam, kõigi kolme stsenaariumi puhul eeldatakse, et kütuse põlemise maht (ja sellest tulenevalt ka süsinikuheitmed atmosfääri) kasvab ainult enam-vähem kiires tempos.

Pessimistliku, "kõige soojema" stsenaariumi järgi keskmine soojenemine maapinna lähedal aastatel 2151-2200. võrreldes 1951.-2000. sooja tuleb umbes 5 kraadi. Mõõdukama arenguga jääb sooja ca 3 kraadi.

Märkimisväärne kliima soojenemine toimub ka Arktikas. Ka optimistlikuma stsenaariumi järgi tõuseb 21. sajandi teisel poolel temperatuur Arktikas võrreldes 20. sajandi teise poolega umbes 10 kraadi võrra. Võimalik, et vähem kui 100 aasta pärast püsib polaarmere jää alles talvel ja sulab suvel.

Samas meie ja teiste mudelite järgi intensiivset meretaseme tõusu järgmisel sajandil ei toimu. Fakt on see, et Antarktika ja Gröönimaa mandrijää sulamist kompenseerib suures osas nende piirkondade lumesaju suurenemine, mis on seotud soojenemise ajal sademete hulga suurenemisega. Peamine panus ookeani taseme tõusule peaks tulema vee paisumisest temperatuuri tõusuga.

Kliimamuutuste prognoosimise kliimasüsteemi mudeliga INM RAS tehtud katsete tulemused koos teiste välismaiste mudelite tulemustega sisaldusid IPCC raportis, mis pälvis koos A. Gore'iga 2007. aastal Nobeli rahupreemia.

Tuleb märkida, et praeguseks on IPCC neljandas aruandes Venemaalt esitatud ainult INM kliimamudeli abil saadud tulemused.

— Öeldakse, et Euroopa ilm sünnib Atlandil – kas see on tõesti nii?

— Atlandi ookeani põhjaosa kohal toimuvad ilmastikunähtused mõjutavad Euroopat kindlasti tugevalt. Seda seetõttu, et parasvöötme laiuskraadidel Maa pinnast kuni 15-20 km puhub tuul peamiselt läänest itta ehk õhumassid tulevad Euroopasse kõige sagedamini läänest, Atlandi ookeanilt. Kuid seda ei juhtu alati ja üldiselt on võimatu välja tuua ühtegi kohta, kus Euroopa ilm on täielikult välja kujunenud.

Euroopa ilma kui laiaulatusliku nähtuse kujundab põhjapoolkera atmosfääri üldine seisund. Loomulikult on Atlandil selles protsessis oluline koht. Siin pole aga olulisem mitte Põhja-Atlandi tsirkuleerivate ookeaniprotsesside olemuslik varieeruvus (hälbe aastakäigust), vaid asjaolu, et atmosfäär kui palju muutlikum keskkond kasutab Põhja-Atlandi energiana. reservuaar oma varieeruvuse kujunemiseks.

Siin liigume kliima ennustamise ja modelleerimise juurest ilma ennustamise ja modelleerimise juurde. Peame need kaks küsimust lahutama. Põhimõtteliselt kasutatakse mõlema probleemi puhul ligikaudu samu mudeleid, mis kirjeldavad atmosfääri dünaamikat. Erinevus seisneb selles, et mudeli algtingimused on ilmaennustamiseks väga olulised. Nende kvaliteet määrab suuresti prognoosi kvaliteedi.

Kliimamuutuste modelleerimisel mitmekümne aasta kuni mitme sajandi ja aastatuhande perioodi jooksul ei mängi lähteandmed nii suurt rolli ning oluline roll on nende välismõjude arvestamisel atmosfääri suhtes, mille tõttu kliima kujuneb. toimub muutus. Sellised mõjud võivad olla kasvuhoonegaaside kontsentratsiooni muutus, vulkaaniliste aerosoolide eraldumine atmosfääri, maakera orbiidi parameetrite muutus jne. Meie instituut arendab üht neist mudelitest Roshydrometi jaoks.

— Mida saab öelda kliimamuutuste kohta Venemaal? Mida peaks eriti kartma?

- Üldiselt võib öelda, et soojenemise tagajärjel Kesk-Venemaa kliima isegi mõnevõrra paraneb, kuid Venemaa lõunaosas see halveneb suurenenud kuivuse tõttu. Suur probleem tekib igikeltsa sulamise tõttu, mille territooriumid hõivavad suuri alasid.

Venemaal tõuseb soojenemise arvutamisel mis tahes stsenaariumi korral temperatuur umbes kaks korda kiiremini kui Maa keskmine, mida kinnitavad ka teiste mudelite andmed. Lisaks muutub meie mudelandmete kohaselt Venemaal talvel soojemaks kui suvel. Näiteks Venemaal keskmiselt 3 kraadise kliima soojenemise korral on soojenemine keskmiselt 4-7 kraadi aastas. Samas läheb suvel 3-4 kraadi võrra soojemaks, talvel 5-10 kraadi võrra. Talvine soojenemine Venemaal tuleneb muu hulgas sellest, et atmosfääri tsirkulatsioon veidi muutub. Läänekaare tuulte tugevnemine toob kaasa rohkem sooja Atlandi õhumassi.

— Mis on IPCC ja eelkõige kodumaiste teadlaste järeldus inimtegevuse panuse kohta kliimamuutustesse?

– Ajalooline kogemus näitab, et igasugune sekkumine loodusesse ei jää karistamata.

IPCC raport rõhutab, et viimastel aastakümnetel täheldatud soojenemine on peamiselt inimmõju tagajärg ning seda ei saa seletada ainult looduslike põhjustega. Antropogeenne tegur on vähemalt viis korda suurem kui päikese aktiivsuse kõikumiste mõju. Nende järelduste usaldusväärsust, tuginedes vaatlusandmete analüüsi viimastele tulemustele, hinnatakse väga kõrgeks.

Meie modelleerimise tulemused näitavad veenvalt ka antropogeense panuse domineerivat rolli. Kliimamudelid reprodutseerivad vaadeldavat soojenemist hästi, kui võtavad arvesse inimtegevusest tingitud kasvuhoonegaaside ja muude gaaside emissiooni, ning ei taastoo soojenemist, kui arvestada ainult looduslikke tegureid. Teisisõnu demonstreerivad mudelkatsed, et ilma inimese "panuseta" poleks kliima muutunud tänapäeva väärtustele.

Täpsustame, et kaasaegsed kliimamudelid sisaldavad ka CO 2 kontsentratsiooni arvutamist. Sellised mudelid näitavad, et CO 2 kontsentratsiooni loomulik kõikumine kliimasüsteemis sajandite või vähema aja jooksul ei ületa paari protsenti. Sellest räägivad ka olemasolevad ümberehitused. Eelindustriaalse ajastu viimasel paaril tuhandel aastal oli CO 2 kontsentratsioon atmosfääris stabiilne ja jäi vahemikku 270–285 ppm (miljoniosa). Nüüd on see umbes 385 ppm. Mudelitega tehtud arvutused, aga ka mõõtmisandmetest saadud hinnangud näitavad, et vastupidi, kliimasüsteem kipub CO 2 emissiooni kompenseerima ning ainult umbes pool või veidi enam kogu emissioonist läheb CO 2 kontsentratsiooni suurenemisele atmosfääris. Ülejäänud pool lahustub ookeanis ja läheb süsiniku massi suurendamiseks taimedes ja pinnases.

— Kuidas teie arvates kliimaprognoosid arenevad?

„Kliimasüsteem on väga keeruline ja inimkond vajab usaldusväärset prognoosi. Kõigil seni välja töötatud mudelitel on omad puudused. Rahvusvaheline teadusringkond on olemasolevate umbes kahe tosina edukaima mudeli hulgast välja valinud, mille võrdlemisel antakse välja üldistatud prognoos. Arvatakse, et sel juhul kompenseeritakse erinevate mudelite vead.

Modelleerimine on raske ülesanne ja palju tööd. Arvutustes on kaasatud palju parameetreid, võttes arvesse transpordiprotsesse, atmosfääri ja ookeani vastasmõju. Nüüd valmib meie instituudis mudeli uus versioon. Näiteks pooluse lähedal on probleem, kus meridiaanide lähenemise tõttu vähenevad astmed piki pikkuskraadi, mis toob mudellahenduses kaasa põhjendamatu “müra”. Uus mudel kasutab atmosfääri- ja ookeanimudelites kõrgemat ruumilist eraldusvõimet ning füüsiliste protsesside täiustatud parameetrite määramist. Tänu sellele suureneb simulatsiooni täpsus ning sellele uue taseme mudelile tehakse uus prognoos.

Millegipärast pööratakse modelleerimisprobleemidele meie riigis palju vähem tähelepanu kui läänes, kus märkimisväärsed rahalised ja teaduslikud vahendid eraldatakse just atmosfääri ja ookeani ringluse numbriliste mudelite loomise ülesandeks. Nende ülesannete täitmiseks on vaja suure jõudlusega mitme protsessoriga arvutussüsteeme (kliima prognoosimiseks kasutatav superarvuti INM kuulub SRÜ riikide TOP-50 reitingusse). Meie tööd toetasid ainult mõned Venemaa Teaduste Akadeemia programmid ja Venemaa Alusuuringute Fondi projektid.

Lähiajal algab IPCC programmi raames uus katseetapp ühismudelitega. See etapp hõlmab Maa kliima ajakohastatud mudeleid, millel on suurem ruumiline eraldusvõime ja laiem valik modelleeritud füüsikalisi protsesse. Kliimamudelid arenevad järk-järgult maakera süsteemi kui terviku mudeliteks, mis ei arvuta enam ainult atmosfääri ja ookeani dünaamikat, vaid sisaldavad ka üksikasjalikke alammudeleid atmosfääri keemiast, taimestikust, pinnasest, merekeemiast ja -bioloogiast ning muudest protsessidest ja nähtused, mis mõjutavad kliimat.

Sissejuhatus

Kaasaegse kliimateooria keskne probleem on inimtegevusest tingitud kliimamuutuste prognoosimise probleem. Kliimasüsteemi eripärade tõttu, millest tuleb juttu allpool, ei saa seda probleemi lahendada traditsiooniliste meetoditega, mida on loodusteadustes korduvalt katsetatud. Võib väita, et antud probleemi lahendamise peamiseks metodoloogiliseks aluseks on praegu kliimasüsteemi numbriline modelleerimine globaalsete kliimamudelite abil, mis põhinevad globaalsetel atmosfääri ja ookeani üldise tsirkulatsiooni mudelitel. Loomulikult eeldab kliimamudelite koostamine välikatseid, mille tulemuste analüüs võimaldab koostada üha täpsemaid mudeleid konkreetsetest kliimasüsteemi dünaamikat määravatest füüsikalistest protsessidest. Sellised katsed ei lahenda aga põhiprobleemi – reaalse kliimasüsteemi tundlikkuse määramist väikestele välismõjudele.

Kliimasüsteem ja kliima

Kliima all mõistetakse antud piirkonna kõige sagedamini korduvaid ilmastikunäitajaid, mis loovad tüüpilise temperatuuri, niiskuse ja atmosfääri tsirkulatsiooni režiimi. Samas tähistab “tüüpiline” neid tunnuseid, mis jäävad praktiliselt muutumatuks ühe põlvkonna vältel, s.t. umbes 30-40 aastat. Need tunnused hõlmavad mitte ainult keskmisi väärtusi, vaid ka varieeruvuse näitajaid, nagu näiteks temperatuurikõikumiste amplituud. Selliste pikaajaliste protsesside käsitlemisel on võimatu arvestada ühegi piirkonna kliimat eraldiseisvalt. Soojusvahetuse ja õhuringluse tõttu osaleb selle kujunemises kogu planeet. Seetõttu on loomulik kasutada planeedi Maa kliima mõistet Üksikute piirkondade kliima iseärasused on üldiste mustrite murdumine konkreetses olukorras. Seega ei koosne globaalne kliima mitte niivõrd lokaalsest kliimast, kuivõrd lokaalse kliima määrab globaalne kliima. Ja ilma, mitte kliimamuutusi, määravad nähtused, mis esinevad ainult atmosfääris, aga ka teistes geosfäärides. Ookean, taimestik, lumi- ja jääkate, pinnas ja edasine inimtegevus ei avalda atmosfääri mitte ainult mõju, vaid ka sellest sõltuvat. Niisiis hõlmab kliimasüsteem atmosfääri, aga ka geograafilise ümbrise muude elementide protsesse ja omadusi, mis mõjutavad atmosfääri ja sõltuvad sellest. Välised nähtused, erinevalt sisemistest, mõjutavad atmosfääri, kuid ei sõltu sellest. Selline on näiteks avakosmosest tulev kiirgus.

Kliimasüsteemi kui füüsilise objekti tunnused

Kliimasüsteemil kui füüsilisel objektil on mitmeid spetsiifilisi tunnuseid.

1. Süsteemi põhikomponente - atmosfäär ja ookean - võib geomeetriliselt pidada õhukesteks kiledeks, kuna vertikaalse ja horisontaalse skaala suhe on umbes 0,01 - 0,001. Seega on süsteem peaaegu kahemõõtmeline, kuid vertikaalne tiheduskihistumine on väga oluline ja suuremahulised vertikaalsed liikumised vastutavad barokliiniliste energiamuutuste eest. Energeetiliselt oluliste füüsikaliste protsesside iseloomulikud ajaskaalad ulatuvad 1 tunnist kümnete ja sadade aastateni. Kõik see viib selleni, et sellise süsteemi laboratoorselt modelleerimine on pehmelt öeldes äärmiselt keeruline.

2. Kliimasüsteemiga on võimatu teha sihipärast füüsilist eksperimenti. Tõepoolest, me ei saa näiteks kliimasüsteemi süsihappegaasiga pumbata ja muid tingimusi võrdsena hoides mõõta saadavat efekti.

3. Meie käsutuses on vaid lühikesed vaatlusandmed ja ka siis ainult kliimasüsteemi üksikute komponentide kohta. Muidugi on kliimasüsteemil palju muid olulisi tunnuseid, mida tuleks arvesse võtta, kuid isegi ülalloetletutest võib järeldada, et kliimasüsteemi uurimise peamine vahend on matemaatiline modelleerimine. Viimaste aastate kogemus näitab, et kliimateooria peamised tulemused saadi globaalsete kliimamudelite konstrueerimise ja kasutamise põhjal.

Kliimasüsteemi matemaatilised mudelid

Selles osas käsitleme lühidalt peamisi eeldusi, millel tänapäevaste kliimamudelite konstrueerimine põhineb. Kaasaegsed kliimamudelid on mudelid, mis põhinevad tänapäevasel atmosfääri ja ookeani üldise tsirkulatsiooni mudelil ning nende väljatöötamise keskseks suunaks on kõigi kliima kujunemisega seotud füüsikaliste protsesside järjest täpsem kirjeldamine. Kaasaegsete kliimamudelite koostamisel lähtutakse mitmest põhimõttest. Eeldatakse, et klassikalise tasakaalu termodünaamika võrrandid on lokaalselt kehtivad. Lisaks eeldatakse, et Navier-Stokesi võrrandid kokkusurutava vedeliku jaoks kehtivad atmosfääri ja ookeani dünaamika kirjeldamiseks. Kuna tänapäevastes mudelites kasutatakse peamiselt arvutusvõimaluste tõttu Reynoldsi võrrandeid - Navier-Stokesi võrrandeid, mis on keskmistatud mõne ruumilise ja ajalise skaala alusel, siis arvatakse, et nende sulgemise võimalus on põhimõtteline. Sulgemisprotseduur eeldab, et alamvõrgu mastaabis protsesside (keskmistavast skaalast väiksemad mastaabid) mõju saab väljendada suuremahuliste protsesside tunnuste kaudu. Need protsessid hõlmavad järgmist:

1) kiirgusülekanne (lühilaine- ja pikalainekiirgus);

2) niiskuse faasisiiretest ja lokaalse settimise protsessist;

3) konvektsioon;

4) piir- ja siseturbulentsed kihid (nende kihtide mõningaid omadusi on selgesõnaliselt kirjeldatud);

5) väikesemahuline orograafia;

6) lainetakistus (väikese ulatusega gravitatsioonilainete vastastikmõju põhivooluga);

7) väikesemahuline hajumine ja difusioon;

8) väikesemahulised protsessid maa aktiivses kihis.

Lõpuks, suuremahuliste atmosfääri- ja ookeaniliikumiste kirjeldamiseks kehtib hüdrostaatiline lähendus: vertikaalset rõhugradienti tasakaalustab gravitatsioon. Sellise lähenduse kasutamine nõuab täiendavaid lihtsustusi (Maa konstantne raadius, Coriolise jõu komponentide arvestamata jätmine vertikaalse kiiruse komponendiga), et väliste energiaallikate puudumisel oleks võrrandisüsteemis täidetud energia jäävuse seadus. ja hajumine. Atmosfääri ja ookeani hüdrotermodünaamika võrrandid, alamvõrgu mastaabis protsesside sulgemine ja piirtingimused.

I. Globaalne lahendatavuse teoreem mis tahes meelevaldselt suurel ajavahemikul t.

Kahjuks ei ole praegu sellist teoreemi "õigete" piirtingimustega sfäärilises koordinaatsüsteemis, mis ei tulene selliste teoreemide puudumisest kolmemõõtmeliste Navier-Stokesi võrrandite puhul. Kaasaegsete kliimamudelite võrranditel on "2,5" - mõõde, kuna täieliku kolmanda liikumisvõrrandi asemel kasutatakse hüdrostaatika võrrandit.

II. Globaalse atraktori olemasolu.

See väide on tõestatud tingimusel, et S on rangelt positiivne-kindel operaator:

(Sϕ ϕ) ≥ µ(ϕ,ϕ), µ >0

Probleem on selles, et üldiselt ei saa seda kirjutada, kuna kokkusurutava vedeliku pidevuse võrrand ei ole dissipatiivne.

III. Atraktori mõõtmed.

Selle klassi mudelite atraktorite mõõtmete konstruktiivsed hinnangud on väga ligikaudsed. Need on ülemised piirid, mis üldiselt ei sobi eelmises jaotises käsitletud teooria jaoks.

UKRAINA HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM

ODESSA RIIKLIK KESKKONNAÜLIKOOL

Üliõpilaste teaduskonverentsil OGECU

"Kliimamudelite analüüs füüsikaliste meetodite abil"

Valmistatud st.gr. VB-11

Smokova V.D.

Teadusnõustaja: d.t.s.

Romanova R.I.

Odessa-2015

Bibliograafia:

http://umeda.ru/concept_climate

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

Volodin E.M., Diansky N.A. Atmosfääri-ookeani üldise tsirkulatsiooni mudeli reaktsioon süsinikdioksiidi suurenemisele.

Volodin E.M., Diansky N.A. Kliimamuutuste simulatsioon 20. - 22. sajandil atmosfääri ja ookeani üldise tsirkulatsiooni ühismudeli abil.

Gritsun A.S., Dymnikov V.P. Barotroopse atmosfääri reaktsioon väikestele välismõjudele. Teooria ja arvulised katsed.

Dõmnikov V.P., Lõkosov V.N., Volodin E.M., Galin V.Ya., Glazunov A.V., Gritsun A.S., Dianski N.A., Tolstõh M.A., Chavro A. .JA. Kliima ja selle muutuste modelleerimine. - In: "Arvutusmatemaatika ja matemaatilise modelleerimise kaasaegsed probleemid",

Kompleksse kliimasüsteemi paremaks mõistmiseks peaksid arvutiprogrammid kirjeldama kliimakomponentide interaktsioonimudelit. Neid üldisi tsirkulatsioonimudeleid (GCM) kasutatakse laialdaselt mineviku kliimamuutuste mõistmiseks ja kliimasüsteemi võimalike tulevaste reaktsioonide kindlakstegemiseks muutuvatele tingimustele. Kas muutus võib toimuda lühikese aja jooksul, näiteks kümnendi või sajandi jooksul? Kas muutustele eelnevad sellised nähtused nagu näiteks El Niño sageduse kasv ja nende sekkumine Vaikse ookeani soojadesse läänevetesse, mis on suunatud Lõuna-Ameerika poole? Millised on erinevad poolusele soojusülekande mehhanismid, mis võivad pakkuda teiste kliimaseisundite olemust? Need ja paljud teised küsimused viitavad tänapäevaste kliimauuringute keerukusele. Lihtsad põhjuslikud seletused sel areenil tavaliselt ebaõnnestuvad. Keerukad arvutimudelid on praktiliselt ainsad saadaolevad tööriistad, mistõttu kasutatakse neid tavaliselt kliima ja globaalse dünaamika kohta käivate väidete tõestamiseks.

ajal ja 20 aastat on kliima modelleerijad kasutanud mõnda National Center for Atmospheric Research Center (NCAI) avaliku kliimamudeli (MOC1) versiooni. 1987. aastal toodetud MOK1 kasutati suurtes jada superarvutites. Nüüd kasutavad paljud neist teadlastest MOK2, sammu edasi, mille tähtsust iseloomustatakse kui liikumist mõnelt teiselt planeedilt Maale. See käik vastab ligikaudu suurte jagatud mäluga paralleelsete vektorarvutite, näiteks kratt YMP. Rööparvutid võimaldavad täpsemalt modelleerida kliimat. Füüsikaliste protsesside tasakaalu üksikasjalik uurimine mudelites läheneb vaadeldavale positsioonile detailide modelleerimise suurenemisega ja usalduse saavutamisega füüsikas kirjeldatu suhtes.

Kaasaegsed atmosfäärikliima mudelid kirjeldavad väga hästi globaalse tsirkulatsiooni kvalitatiivset struktuuri. Simulatsioonides taasesitatakse nii kvalitatiivselt kui ka kvantitatiivselt energia ülekandumist soojadest ekvatoriaalsetest piirkondadest külmapoolustele ja tavatuulte jagunemist osadeks. Troopiline Hadley tuul, keskmise laiuskraadi Ferreli tuuled ja jugavoolud on vaatlustega hästi kooskõlas. Need on peamised atmosfääri tsirkulatsiooni mustrid, mis on tunda maapinnal, nagu tuulevaiksed, passaattuuled, kesklaiuskraadi läänetuuled ja polaarkõrgused.

Mudelite võime praegust kliimat reprodutseerida suurendab usaldust nende füüsilise kehtivuse suhtes. See väide ei anna aga põhjust tulevase kliima ennustamiseks mudeleid kasutada. Teine oluline tõend mudelite kasutamise kohta oli nende rakendamine varasematele kliimarežiimidele. IOC NCAI-d ​​kasutati selleks, et simuleerida kliimamõjusid, mida põhjustas suvise päikesekiirguse suurenemine põhjas Maa orbiidi muutuste tõttu. Üheks tagajärjeks oli maakera temperatuuri soojenemine, mis põhjustas intensiivsemaid mussoonviise. Maa orbiidi muutustest põhjustatud päikesekiirguse suurenemine või vähenemine on eelmiste perioodide kliimat taganud tingimuste eeldatav põhjus. Stefan Schneideri NCAI sõnul annab arvutimudelite võime reprodutseerida kohalikke kliimareaktsioone päikesekiirguse muutustele, mis on põhjustatud Maa orbiidi muutustest, aluse usaldusele nende mudelite usaldusväärsuses, kuna need on vahendid tulevaste kliimamõjude ennustamiseks. suurenenud kasvuhooneefektist."

ROK 2, NCAI välja töötatud kliimamudelite seeria uusim kood, kajastab ülalkirjeldatud füüsiliste protsesside keerulist koosmõju. See kliimamudel, mis sobib ülikoolide ja tööstusuuringute kasutajatele, simuleerib kliimasüsteemi ajas muutuvat reaktsiooni päikesesoojuse ja merepinna temperatuuri igapäevastele ja hooajalistele muutustele. Viimase 10 aasta jooksul ja lähitulevikus on need mudelid aluseks mitmesugustele kliimauuringutele ja stsenaariumide testimisele, mida kasutatakse riiklikes energia- ja keskkonnapoliitilistes otsustes.

Globaalsetes tsirkulatsioonimudelites kasutatav paralleelarvutus

Kliimauurijad on arvutitehnoloogia edusamme tervitanud, sest pikaajaliste kliimasimulatsioonide tegemiseks võib kuluda mitu kuud. Uusima põlvkonna superarvutid põhinevad paralleelsuse ideel. Intel Paragon XP/S 150 suudab lahendada ühe keerulise ülesande, kasutades 2048 protsessori kombineeritud kiirust. See arvuti erineb teistest superarvutitest selle poolest, et iga protsessori mälu pole teistele protsessoritele kättesaadav. Sellist süsteemi nimetatakse pigem hajutatud mäluks kui jagatud mäluks. See arvutikujundus võimaldab ülesannete puhul rakendada tohutut paralleelsust, kuid raskendab arvutuste koostamist.

ROK 2 kasutatakse peaaegu eranditult paralleelsetes superarvutites. Mudeli loodud suured arvutusnõuded ja suur väljundandmete maht välistavad nende tõhusa kasutamise tööjaamaklassi süsteemides. MOC2 dünaamika algoritmi aluseks on sfäärilised ülemtoonid, matemaatikute ja füüsikute lemmikfunktsioonid, mis peavad sfääri pinnal esitama funktsioone väärtustena. Meetod teisendab sfääri andmed kompaktseks ja täpseks esituseks. Maapinna 128 × 64 punktvõrgu andmeid saab esitada 8192 asemel vaid 882 arvu (koefitsientide) abil. See meetod domineeris pikka aega ilmastiku- ja kliimamudelite meetodi valikul tänu sfäärilise harmoonilise täpsusele. esitus ja teisenduse arvutamiseks kasutatud meetodite tõhusus. Teisendus on "globaalne" meetod selles mõttes, et see nõuab harmoonilise koefitsiendi arvutamiseks andmeid kogu maailmast. Hajamäluga paralleelarvutites nõuavad need arvutused kõigi protsessorite vahelist suhtlust. Kuna paralleelarvutis on side kallis, arvasid paljud, et teisendusmeetod on oma aja ära elanud.

Edasised uuringud ORNL-is leidsid viise arvutuste korraldamiseks, et võimaldada kliimamudelil töötada tohututes paralleelsetes arvutites.

Enne ORNL-i teadlaste kaasamist piirdus mudelite paralleelsus jagatud mälu paradigmaga, mis kasutas vaid mõnda - 1 kuni 16 - protsessorit. Spektraalseks teisendamiseks vajaliku globaalse sidumise tõttu ei tundunud hajutatud mäluga paralleelarvutid paljulubavad. ORNL-i edasised uuringud on aga leidnud viise arvutuste korraldamiseks, muutes täielikult meie vaadet ja võimaldades rakendada MOC2 tohututes paralleelsetes arvutites.

Meie uuringud on tuvastanud mitu paralleelset algoritmi, mis hoiavad teisendusmeetodi konkurentsivõimelisena isegi siis, kui ORNL kasutab paljusid protsessoreid, nagu Intel Paragon XP/S 150. Sellel võimsal masinal on 1024 sõlmeplaati, millest igaühel on kaks arvutusprotsessorit ja sideprotsessor. Täielik MOK2 kliimamudel töötati selle paralleelarvuti jaoks välja ORNLi, Argonne National Laboratory ja NCAI teadlaste koostöös. Praegu kasutab seda ORNL-i arvutiteaduse ja matemaatika osakond ookeani-atmosfääri seotud kliimamudeli väljatöötamise alusena tervise- ja keskkonnauuringute osakonna sponsorlusel.

Uue põlvkonna paralleelarvutite pakutava arvutusvõimsuse kasvuga soovivad paljud teadlased kliimamudelit parandada.

Uue põlvkonna paralleelarvutite pakutava arvutusvõimsuse suurenemisega soovivad paljud teadlased parandada mudeleid ookeani ja atmosfääri sidumise kaudu. See märkimisväärne edasiminek modelleerimisel viib meid sammu võrra lähemale terviklikule kliimasüsteemi mudelile. Seda tüüpi sisseehitatud mudeliga avanevad paljud kliimauuringute valdkonnad. Esiteks on Maal süsinikuringe simuleerimiseks täiustatud meetod. Ookeani ja maismaa protsessid (nt metsad ja pinnas) toimivad atmosfääri süsiniku ladestumise allikatena ja kohtadena. Teiseks, atmosfäärimudelite ühendamine kõrge eraldusvõimega pööriseid kinnitavate ookeanimudelitega võimaldab teadlastel jälgida seni arusaamatuid kliimaennustuse küsimusi. Mudelid näitavad ookeani ja atmosfääri interaktsiooni tüüpilist käitumist. El Niño on vaid üks suhtlusrežiimidest. Nende režiimide tuvastamine ja äratundmine aitab leida võtme kliima ennustamise probleemile.

Meie mudeleid saab kasutada selleks, et ennustada üldist mõju kliimale, kui atmosfäärimõjud, nii kunstlikud kui ka looduslikud, "kasvuhooneefektist" tingitud soojenemine ja sulfaat-aerosoolide tõttu jahutamine. Inteli, IBM SP2 või suurema arvutusvõimsuse kasutamine Cray Research T3D, teadlased peavad samm-sammult edasi liikuma, et mõista looduslike protsesside ja inimtegevuse, näiteks fossiilkütuste põletamise ja meie maise kodu kliima vahelisi keerulisi vastastikuseid sõltuvusi.

Kliimamudel on kliimasüsteemi matemaatiline mudel.

Kliimasüsteemi mudel peaks sisaldama kõigi selle elementide ja nendevaheliste suhete formaliseeritud kirjeldust. Aluseks on jäävusseaduste matemaatilistel väljendustel põhinev termodünaamiline konstruktsioon (impulss, energia, mass, aga ka veeaur atmosfääris ning magevesi ookeanis ja maismaal). See kliimamudeli makroplokk võimaldab arvestada väljast saabuva energiaga ja arvutada sellest tuleneva planeedi kliimaseisundi.

Termodünaamiliste protsesside modelleerimine on vajalik, kuid mitte piisav tingimus, et tagada kliimarežiimi täielik taastootmine. Olulist rolli mängivad mõned keemilised protsessid ja geokeemilised kontaktid kliimasüsteemi elementide vahel. Samal ajal räägitakse tsüklitest või tsüklitest - see on süsinikuring ookeanis, hapniku (ja teised: kloori, broomi, fluori, vesiniku) osooni tsüklid stratosfääris, väävliringe jne. Seetõttu on oluline koha kliimamudelis peaks hõivama klimaatiliselt oluliste keemiliste protsesside makroplokk.

Kliimasüsteemi kolmas makroplokk peaks hõlmama kliimat kujundavaid protsesse, mis tulenevad elusorganismide tegevusest maismaal ja ookeanis. Nende peamiste seoste süntees peaks moodustama ideaalse kliimamudeli.

Mudelite loomisel tuleks arvestada kliima kujunemisega seotud protsesside iseloomulikku aega. Mis tahes ajaskaalal töötava ühtse mudeli loomine on kui mitte võimatu, siis arvutuskulude osas vähemalt ebaotstarbekas. Seetõttu on kasutusele võetud tava luua mudelid teatud kindla ulatusega kliimaprotsesside kirjeldamiseks. Väljaspool modelleerimiseks valitud skaalat kasutatakse aeglaste protsesside poolel konstantseid piirtingimusi ja parameetreid (arvatakse, et muutused on uuritavatega võrreldes liiga aeglased). Väiksemate mastaapide poolelt eeldatakse, et esinevad "kiired" juhuslikud kõikumised, mille üksikasjaliku kirjelduse saab asendada saadud mõjude statistilise ülevaatega (näiteks keskmiste olekute gradientide kaudu, nagu poolajal tavaks -empiiriline turbulentsiteooria).

Ideaalse mudeli aluseks olevaid üldpõhimõtteid saab rakendada erineva täielikkuse astmega. Seega on kaasaegsetes mudelites bioloogilised mõjud ja keemilised protsessid äärmiselt killustatud. Osaliselt on see tingitud asjaolust, et mudelid on välja töötatud keskendunud lühiajaliste kliimamuutuste uurimisele, kui arvestada pikaajalisi (näiteks geokeemilisi) mõjusid, saab neid iseloomustada konstantide hulgaga. Seetõttu on tänapäevased kliimamudelid ennekõike termodünaamilised mudelid. Mõnel juhul lisatakse neile piiratud hulga tagasisidega keemilisi või bioloogilisi plokke.

Termodünaamilised mudelid erinevad omakorda suuresti protsesside kirjeldamise detailsuse poolest. Mõned põhinevad lihtsustatud väljenditel, teised kasutavad põhiliste füüsikaseaduste kirjutamise "täielikke" matemaatilisi vorme. Vastavalt sellele saab iga mudelit kujutada teatud algoritmide kogumina, millest mõnel on selge matemaatiline ja füüsikaline põhjendus (ja sellest vaatenurgast on see veatu), teine ​​osa on aga fenomenoloogiline, jäljendava iseloomuga. Need on nn parameetrid.

Erinevused "täieliku" ja lihtsustatud mudeli vahel avalduvad selles, et esimestel on rikkalikum füüsiline sisu. Tänu sellele on terviksüsteemis automaatselt rakendatavate tagasisidete valik laiem. Lihtsustatud mudelites tuleb vajalikud tagasisided “käega sisestada”, ehk siis sunniviisiliselt, sageli ilma sügava põhjenduseta, lisatakse võrranditesse mingid sõltuvused. Seda tüüpi protseduurid vähendavad modelleerimise väärtust, kuna tagasiside mudeli kunstlik pealesurumine määrab tegelikult modelleerimise tulemuse a priori. Lisaks põhineb määratud seos alati ühel või teisel kujul infol kliima hetkeseisu kohta ning muudele kliimatingimustele üleminekul ei ole garanteeritud, et selline konstruktsioon annab usaldusväärseid tulemusi. Seetõttu ei ole mudelite täiustamine eesmärk omaette, vaid viis töömehhanismide füüsiliselt täielikuma reprodutseeritavuse saavutamiseks.

Kuid efektide ülesandest on võimalik täielikult loobuda ainult ideaalse mudeli korral. Kaasaegsed mudelid ei sisalda olulisi bioloogilisi ja keemilisi mõjusid, mida tuleks parameetrites määrata.

Vaatamata "terviklike" mudelite näiliselt selgele eelisele, kasutatakse ja arendatakse jätkuvalt lihtsustatud mudeleid. See on tingitud järgmistest põhjustest. Esiteks, nn "terviklikud" mudelid pole tegelikult, nagu juba märgitud, kaugeltki täielikud, mõned neis sisalduvad parameetrid on väga jämedad, nimelt määrab üksikute plokkide ebatäiuslikkus mudeli kui terviku ebatäiuslikkuse. Teiseks on lihtsustatud mudelid lihtsamad, nende praktiline rakendamine on palju, põhimõtteliselt lihtsam kui "täis" mudelid. Need nõuavad arvutitelt väiksemat (suurusjärkude võrra!) kiirust ja seetõttu on võimalik teha pikaajalisi arvutikatsetusi, teha eelarvutusi ja katsetada uusi parameetriskeemi. Neljandaks, lihtsustatud mudelid annavad palju selgemaid ja hõlpsamini tõlgendatavaid tulemusi kui "täielikud" mudelid. See tulemuste "läbipaistvus" võimaldab mõnikord lihtsustatud mudeli abil uurida mis tahes individuaalset mõju - näiteks eraldada soojusrežiimi ja pinna albeedo otse- ja tagasiside seosed, uurida hoolikalt väikeste gaasilisandite kiirgusmõju, jne.

Kui reastada kliimamudeleid nende füüsilise terviklikkuse astme ja samas keerukuse, aga ka kasvavate nõuete järgi arvutiressurssidele (kiirus, vahetuskurss välisseadmetega), siis nn. Budyko-Sellersi tüüpi mudelid on kõige lihtsamad, seejärel "keskmise keerukusega" mudelid ja lõpuks kliimamudelite täielikud mudelid.

Kõik mudelid, enne kui neid kasutatakse kliimamuutuste diagnoosimiseks ja prognoosimiseks, läbivad valideerimisetapi. See seisneb kontrollimises, kas mudelid, arvestades parameetrite kogumit, mis vastavad kliimat kujundavate tegurite hetkeseisule, on võimelised tegelikkuses adekvaatselt reprodutseerima praegust kliimat. Kui see on tehtud piisavalt edukalt, siis võime väita järgmiselt: kui mudel suudab õigesti reageerida antud (juhuslikule üldiselt) välistingimuste hulgale, siis reprodutseerib see sama edukalt ka teisele hulgale vastavaid tingimusi. parameetritest. Loomulikult on see tingimus usutav ainult siis, kui eeldatakse, et mudel on täielik, see tähendab, et sellel puuduvad häälestusparameetrid ja -ühendused.

Energiabilansi mudelid (Budyko-Sellers tüüpi mudelid) põhinevad kliimasüsteemi energiaeelarve võrrandi lihtsustatud avaldisel, milles tundmatu suurusena toimib ainult üks suurus, temperatuur. Seda tüüpi mudelite põhjal on esmakordselt demonstreeritud soojusrežiimi ja pinna albeedo vahelise tagasiside efektiivsust. Mudelitel on ühemõõtmelised (temperatuurist sõltuvad laiuskraad) ja kahemõõtmelised (laius- ja pikkuskraad) versioonid.

Keskmise keerukusega mudelite positiivsed küljed on ilmsed. Need ei sea arvutitehnoloogiale erinõudeid ja seetõttu saab neid kasutada pikaajaliste katsete tegemiseks; saadud tulemused, nagu iga "lihtsa" mudeli puhul, on tõlgendamiseks piisavalt selged. Arusaadavad on ka puudused – põhimõtteline on see, et puudub kindlus, kas lihtsustatud mudelid on võimelised taasesitama kliimat ka teistes, tänapäevastest erinevates kliimatekke tingimustes.

Järgmine samm mudelite väljatöötamisel on atmosfääri nn üldise tsirkulatsiooni mudelid. See nimetus omistatakse globaalsetele kolmemõõtmelistele mudelitele, mis põhinevad nn termohüdrodünaamika täielikel võrranditel. AGCM-i ruumiline eraldusvõime on umbes 200x200 km laius- ja pikkuskraadil ning umbes 20 tasemest kuni ~ 30x30 km ja 60 tasemeni atmosfääris. Juba 1990. aastatel saavutati arusaam AOGCM optimaalsest struktuurist, mis ohustaks modelleerimise ülesandeid ja arvutitehnoloogia ressursse.

Kliimamudelite täiustamine järgib ookeanide modelleerimise täiustamise teed. Juba ilmuvad mudelid esimese paarikümne kilomeetri eraldusvõimega mitmekümne vertikaalse tasemega, millel on mudelite jaoks kõige olulisem omadus - ookeanis olevad keerised, peamised tsirkulatsioonid ja energiat kandvad moodustised reprodutseeritakse neis automaatselt, ilma parameetrite kasutamiseta.

Maaploki väljatöötamisel järgitakse hüdroloogiliste protsesside ning maa ja atmosfääri vahelise soojus- ja niiskusvahetuse üksikasjaliku kirjeldamise rada, võttes arvesse taimkatte rolli. Mõnel juhul, sõltuvalt mudelite orientatsioonist, on AGCM-i külge kinnitatud mandri jäätumise dünaamika plokid.

Mudelite edasiarendamine hõlmab simuleeritud väljade detailsuse suurendamist. Selleks on vaja füüsikute, matemaatikute ja kaasaegsete arvutite arhitektuuri spetsialistide ühiseid jõupingutusi.Üldiselt pole selge, kas see toob kaasa mudeli soovitud füüsilise “täielikkuse”, selle lähendamise ideaalsele, kuna Protsesside järgmisel, sügavamal käsitlemisel tekivad kohe uued probleemid, probleem on vaatlusandmete ebapiisav võrgustik jne. Seega toimub fundamentaalne üleminek Reynoldsi võrranditelt, mida kasutatakse laiaulatusliku dünaamika kirjeldamiseks, Navier-Stokesi võrranditele. tekitada uusi probleeme, eelkõige on vaja üksikasjalikku teavet molekulaarse viskoossuskoefitsiendi ruumilise jaotuse jms kohta.