Klimato procesų modeliavimas. Klimatologija Klimato kaitos prognozavimo bendrieji cirkuliacijos modeliai

Siųsti savo gerą darbą žinių bazėje yra paprasta. Naudokite žemiau esančią formą

Studentai, magistrantai, jaunieji mokslininkai, kurie naudojasi žinių baze savo studijose ir darbe, bus jums labai dėkingi.

Įvadas

1. Visuotinis modeliavimas

Literatūra

Įvadas

Dabartinis mokslo ir technologijų pažangos etapas, susijęs su pasaulinės ekologinės padėties Žemėje suvokimu su jai būdingais ribotais energetiniais, geologiniais, biogeocenotiniais ir kitais ištekliais, išryškina informacijos šaltinio problemą, susijusią su pasaulinėmis aplinkos žiniomis – žiniomis apie aplinką. žmogaus ir gamtos evoliucijos sąlygos. Šio ištekliaus lygį tūkstantmečius lėmė silpnai koreliuojantis bendras Hoto sapiens aktyvumas ir buvo palyginti mažas iki pramonės eros pradžios. Tada gana sparčiai istoriniu požiūriu į situaciją, kai komercinis požiūris į biosferą tapo lemiančia žmonijos strategija ir išryškėjus ekologinei aklavietei, informacinis išteklius reikšmingumo skalėje pakilo iki ribinių verčių.

Bet kuri aplinkos problema turi „atvirumą“, įtraukimą į sistemą pasaulinės problemos modernumas, kurio pagrindinis yra žmonijos homeostazės išsaugojimas (Kondhayev, 2000). Tai reiškia, kad XX amžiaus pabaigoje kilusi ir realizuota „perkūnija virš biosferos“ civilizuotam pasauliui iškėlė Homo Sapiens rūšies išlikimo problemą, taigi ir atsakingo požiūrio į gamtą problemą. . Tuo pačiu metu ekologinės ir moralinės problemos susiliejo vienu metu.

1. Visuotinis modeliavimas

Įjungta dabartinis etapas mokslo ir technologijų pažanga aplinkos apsaugos srityje, vyksta intensyvūs pokyčiai, kurių analizė leidžia nustatyti charakteristikos aplinkos pažinimas ir taikomų metodų problemos, siekiant nustatyti pagrindinius reikalavimus efektyviai informacinei technologijai. Viena iš būtinų sąlygų kuriant būklės sekimo sistemas aplinką buvo skirtingos kokybės duomenų buvimas ir daugybė jų generuojamų matematinių modelių įvairių tipų(balansas, optimizavimas, evoliucinis, statistinis ir kt.). Sintetinama remiantis parametrizavimu ir, kaip taisyklė, dėsningumų linearizavimu natūralus fenomenasšie modeliai apima platų spektrą deterministinių ir tikimybinių geologinių, ekologinių, okeanologinių, biogeocheminių ir biogeocenotinių globalių, regioninių ir lokalinių procesų aprašymų. Didžioji dauguma jų yra orientuoti į teorinį gyvųjų sistemų ypatybių supratimą. aukštas lygis pasinaudojant turimomis žiniomis ir tik nedidelė dalis skirta pirmiesiems žingsniams objektyvaus esamos pasaulinės aplinkos situacijos įvertinimo link. Skirtingi tikslai ir matematinis aprašymo aparatas, daugelis modelių pasirodo priverstinai grubūs dėl informacinės bazės ribotumo, neišsamumo ir neapibrėžtumo, taip pat dėl ​​šiuolaikinių instrumentinių sistemų trūkumo modeliavimo eksperimento srityje. Nagrinėjamų biosferos komponentų skaičiaus padidėjimas, siekiant padidinti tiriamų modelių adekvatumą, kaip žinoma, lemia jų daugiaparametrinį pobūdį, t.y. į „daugiamatiškumo prakeiksmo“ problemą.

Pagrindiniu šių ypatybių sprendimo įrankiu nemažai autorių pagrįstai laiko imitacinio modeliavimo metodą, leidžiantį „sujungti“ skirtingos kokybės duomenis, susijusius su įvairiais matematiniais formalizmais, ir pašalinti daugiaparametriškumą. Norimas modelis šiuo atveju kuriamas remiantis empirine informacija, kurios iš anksto neapriboja joks matematinis aparatas, lemiantis formalizavimo „minkštumą“, o tai yra neišvengiama tais atvejais, kai esminiai reiškinių šablonai yra nežinomas.

Imitacinio modeliavimo kūrimas plečiant informacinę bazę, derinant formalius ir neformalius metodus laipsniško reikiamo modelio sintezės procese ir galiausiai aktyviai prijungiant žmogų prie dialogo su kompiuteriu, daugelio tyrinėtojų nuomone, suteiks efektyvią sisteminio-ekologinio modeliavimo technologiją. Tačiau ir dabar paaiškėja, kad situacija nėra tokia aiški. Iš tiesų, jei palygintume turimas informacijos užklausas lauke aplinkosaugos klausimai ir esamą informacinę jų sprendimo palaikymą (įvairūs matematiniai ir simuliaciniai modeliai, aplinkos informacijos apdorojimo principai), nesunku pastebėti, kad ne visų lygių natūralios ir antropogeniniai kompleksai turėti sukurtą aparatą jų aprašymui, o juo labiau efektyviam dizainui informacines technologijas siekiant gauti reikiamus probleminių situacijų vertinimus. Šiuo atžvilgiu iškylantys sunkumai yra ne tik techninis įvairių tipų modelių kaupimo pobūdis. Šios savybės ryškiausiai pasireiškia globaliame modeliavime, kurio patirtis parodė reikšmingą ir iš esmės nepašalinamą žinių apie gamtoje vykstančius procesus neišsamumą, pasireiškiantį tiek empirinių duomenų fragmentiškumu, tiek adekvačių idėjų apie gamtoje nebuvimu. evoliucijos modelius. natūralių procesų. Jau dabar aišku, kad mechaninis modelių hierarchijų rinkinys ir noras kaupti empirinių duomenų bankus yra bandymas atgaivinti primityvias samprotavimo schemas apie holistinį biosferos procesų raidos vaizdą be sėkmės vilties, be galimybės paaiškinti. gyvųjų sistemų gebėjimas nuolatos savaime organizuoti ir be reikšmingos pažangos siekiant suprasti nusistovėjusį Gamtos-Visuomenės sistemos veikimo mechanizmą. Situacija tokia, kad reikia naudoti kompiuterines technologijas, kurios jungia evoliucinio ir simuliacinio modeliavimo metodus. Tai leis atsižvelgti į modeliuojamų procesų struktūros vidinę dinamiką (evoliuciją) ir adaptyviai sintezuoti modelius duomenų neišsamumo ir dalinio patikimumo sąlygomis.

Tradiciniai globalaus modelio kūrimo metodai susiduria su sunkumais algoritmiškai aprašant daugelį socialinių, ekonominių ir klimato procesų, todėl tenka susidoroti su informacijos neapibrėžtumu. Sukurti globalaus modeliavimo metodai tiesiog ignoruoja šį neapibrėžtumą, todėl modelių struktūra nepakankamai fiksuoja realius procesus. Bendras evoliucinio ir simuliacinio modeliavimo naudojimas leidžia pašalinti šį trūkumą sintezuojant kombinuotą modelį, kurio struktūra yra pritaikoma remiantis biosferos ir klimato komponentų komplekso priešistore. Tuo pačiu metu modelio įgyvendinimas taip pat gali būti derinamas skirtingose ​​​​modelių klasėse, naudojant programinės įrangos įrankius tradiciniuose kompiuteriuose ir specialius evoliucinio tipo procesorius. Tokio derinio forma yra įvairi ir priklauso nuo pasaulinių duomenų bazių erdvės ir laiko išsamumo.

Esamoje globalaus modeliavimo patirtyje gausu neįveikiamų sunkumų pavyzdžių, bandant rasti būdų, kaip apibūdinti mokslo ir technologijų pažangą bei žmogaus veiklą įvairiomis jos apraiškomis. Ne mažiau sunkumų kyla modeliuojant klimatą, kuriam būdinga procesų superpozicija su skirtingu laikinu kintamumu. Kalbant apie aprašo išsamumą globaliame modelyje, čia neįmanoma aiškiai nubrėžti informacijos saugumo ribų ir būtinų erdvinių ir struktūrinių detalių ribų. Todėl nesigilindami į gamtinę-filosofinę globalių problemų analizę ir nebandydami pateikti išsamaus globalaus modeliavimo recepto, aptarsime tik vieną iš galimų būdų, atspindinčių, kaip evoliucinis modeliavimas specialiame procesoriaus įgyvendinime leidžia įveikti tai, kas išdėstyta. – minėti sunkumai.

Evoliucinio modelio koregavimas pagal natūralių ritmų priešistorę ​​leidžia gauti modelį, kuris netiesiogiai seka įvairius gamtos-visuomenės sistemos dinamikos modelius praeityje ir leidžia numatyti tą patį laiko ritmą. Specialaus procesoriaus modelio versija visiškai pašalina visus algoritminius ir skaičiavimo sunkumus, kylančius dėl didelio pasaulinio modelio matmens ir daugybės parametrinių neapibrėžčių.

2. Klimato procesų modeliavimas

Gamtos-visuomenės sistemos klimato komponentas kelia didžiausią globalinio modelio sintezės sunkumą, nes jam būdingas didelis grįžtamojo ryšio skaičius, kurių dauguma yra nestabilūs. Tarp jų yra ledas-albedas, vandens garų spinduliuotė, debesuotumas-radiacija, aerozolinė spinduliuotė ir daugelis kitų.antropogeninės struktūros. Todėl kuriant klimato modelį reikia atsižvelgti į daugybę veiksnių, kurių vaidmuo formuojant jį daugeliu atvejų nėra gerai suprantamas. Bandymai visapusiškai apibūdinti Žemės klimato sistemą matematiniais metodais kol kas nedavė rezultatų, kuriuos būtų galima panaudoti Valstybiniame istorijos muziejuje.

Yra du globalinio modelio sintezės būdai. Vienas iš būdų yra pagrįstas biosferos komponentų įtraukimu į sukurtus arba sukurtus klimato modelius. Kitas būdas – biosferos matematinio modelio rėmuose sukurti bloką, kuris imituotų biosferos komponentų priklausomybę nuo klimato parametrų. Pirmuoju atveju iškyla atitinkamų diferencialinių lygčių sistemų sprendinių nestabilumo problemos, todėl sunku gauti prognozuojamus globalių aplinkos pokyčių įverčius. Antruoju atveju galima gauti stabilias aplinkos pokyčių prognozes, tačiau jų patikimumas priklauso nuo klimato ir biosferos elementų koreliacijų parametrų nustatymo tikslumo. Antrasis metodas turi pranašumą, nes jis leidžia sujungti klimato modelius su matematiniu biosferos modeliu, kurį galima apibūdinti scenarijaus lygmeniu. Išsami klimato modeliavimo ir vertinimo klausimų analizė moderniausias galima rasti Marchuk ir Kondratiev (1992), Kondratiev (1999), Kondratiev ir Johannessen (1993). Čia aptariame daugybę atskirų gamtos ir visuomenės sistemos komponentų modelių, atitinkančių antrąjį požiūrį. Tarp jų – bendros atmosferos cirkuliacijos modeliai, atmosferos ir vandenyno sąveika, klimato parametrų jautrumas ribinėms sąlygoms Žemės paviršiuje, biogeocheminių ir klimatinių procesų ryšys ir kt.

Klimato sistema yra fizinė-cheminė-biologinė sistema, turinti neribotą laisvės laipsnį. Todėl bet kokie bandymai modeliuoti tokią sudėtingą sistemą yra susiję su neįveikiamais sunkumais. Būtent ši aplinkybė paaiškina atskirų procesų parametrinių aprašymų įvairovę šioje sistemoje. Pasauliniam modeliui, kurio laiko diskretizacijos pakopa yra iki vienerių metų, priimtinas būdas yra naudoti du variantus: pirmasis variantas yra kartu taikyti koreliacijas tarp konkrečių klimato formavimosi procesų tam tikroje teritorijoje kartu su klimato scenarijais. Antrasis variantas pagrįstas visuotinio stebėjimo duomenų naudojimu, kuris yra pagrindas duomenų serijoms apie klimato parametrus sudaryti su jų teritorine ir laiko nuoroda ir naudojama siekiant atkurti išsamų jų erdvinio pasiskirstymo vaizdą. Viena iš įprastų koreliacijos funkcijų yra variacijos priklausomybė Vidutinė temperatūra DT g „ atmosferos CO 2 kiekiui joje:

25, oi? 1

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

čia o – dabartinio CO 2 kiekio atmosferoje C a (t) ir ikiindustrinio lygio C a (1850) santykis.

Iš (1) matyti, kad T g yra didėjanti atmosferos CO 2 kiekio funkcija. Padidėjus CO 2 kiekiui atmosferoje 20%, temperatūra pakyla 0,3 °С. Atmosferoje padvigubėjus CO2 kiekiui, Tg padidėja 1,3 °C. Išsami funkcijos (1) analizė ir pastebėtų bendrų DT g ir o svyravimų palyginimas rodo, kad modelio (1) taikymas leidžia supaprastinti gamtos ir visuomenės modelio klimatinį bloką. Visų pirma, jei (1) naudojamas apskaičiuoti (DT g) 2[ CO2 ] atmosferos CO 2 koncentracijai padvigubinti, tada įvertinti dabartinė tendencija keisdami DT g , galite naudoti formulę:

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

kur, remiantis priimtais skaičiavimais, ikiindustrinė C a (1850) vertė = 270 ppm.

Formulė (2) gerai suderina jau žinomus duomenis su maždaug 50% paklaida. Iš tiesų, iš (2) esant C a (1980) = 338 ppm, išplaukia, kad DT g = 1,3 °K, o tikrasis atšilimas daugelio autorių vertinamas kaip 0,6 °K.

Be jokios abejonės, surengta pastaraisiais metais diskusijos apie šiltnamio efektą dėl augimo dalinis slėgis CO 2 in žemės atmosfera, turėtų atsispindėti Valstybiniame istorijos muziejuje. (1) formulė atsižvelgia į CO 2 įtaką. Mintzer (1987) teigimu, galima išplėsti kitų šiltnamio efektą sukeliančių dujų temperatūros poveikio svarstymą:

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, kur

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 reikšmė identifikuojama su 1980 m., kai šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija laikoma žinoma.

Tarp paprastų formulių, skirtų vidutinės temperatūros platumos pasiskirstymui apskaičiuoti pasaulis galite nurodyti Sergino (1974) pasiūlytas schemas

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

kur ts – platuma radianais, r – temperatūrų skirtumas tarp ašigalio ir pusiaujo, ts T – platuma, kurioje T(ts) = T g. Platumos temperatūros svyravimai per metus yra patenkinamai aprašyti modeliu (Sergin, 1974):

T e - 2c (T e - T N) / p šiaurės pusrutulyje,

T e - 2c (T e - T S) / p pietų pusrutulyje,

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) ir T N , max (T S , max) minimalus ir maksimali temperatūrašiauriniame (pietų) ašigalyje, atitinkamai, °С; t D - metų trukmė D vienetais, T e - atmosferos temperatūra ties pusiauju, ° C; Daugelis autorių naudoja tokius įvertinimus,

kaip 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.

Žinoma, tokios zonos vidutinės temperatūros turi dispersijų, dėl kurių atsiranda didelių klaidų. Norint tiksliau atspindėti įvairių veiksnių vaidmenį keičiant pagrindinį klimato parametrą, tai yra temperatūra, reikia skaičiuoti kiekvieno veiksnio indėlį atskirai. Tai galima padaryti remiantis grįžtamojo ryšio vaidmens adityvumo prielaida:

DT a , galutinis = DT a + DT a , grįžtamasis ryšys

DT a , galutinis = DT a

Parametras b išreiškiamas kaip stiprinimas g: b = 1/(1-g). Rodiklio g reikšmė yra lygi albedo b, kuris in pasauliniu mastu yra T a funkcija. Apytikslis šios priklausomybės aproksimavimas gali būti pateiktas tokia forma:

b ledas ties T a? T ledas,

b(T a) = b laisvas ties T a? T laisva,

b laisvas + b(T laisvas - T) ties T ledu<Т а < Т free

Čia T ledas ir T laisvas yra vidutinės planetos temperatūros, kurioms esant visas Žemės paviršius atitinkamai padengtas ledu arba be jo; b – perėjimo tarp kritinių Žemės albedo būsenų koeficientas. Paprastai vartojamas T i ce Є °K.

Paprastų ir gana grubių klimato modelių naudojimą galima patobulinti atsižvelgiant į būdingus grįžtamojo ryšio veikimo laikus. Kai kurie pusiausvyros susidarymo laiko klimato posistemių sąveikos metu įverčiai pateikti lentelėje. 1. Matyti, kad Nature-Society sistemoje reagavimo vėlavimų laiko intervalas yra įvairus ir į tai būtina atsižvelgti vertinant vienos ar kelių klimato posistemių pokyčių pasekmes. Visų pirma, Antarkties ledyno šalčio atsargos yra tokios milžiniškos, kad norint padidinti jo temperatūrą iki 0 °C, teks 2 °C sumažinti vidutinę Pasaulio vandenyno temperatūrą, t.y. perkelti jį iš būsenos Т 0 = 5,7 °С į būseną Т 0 = 3,7 °С. Atsižvelgiant į lentelėje pateiktus duomenis. 1 tokios operacijos inercija bus šimtai metų. Pastebėtas klimato atšilimo tempas dėl antropogeninių priežasčių dar neturi tokių energijos sąnaudų.

1 lentelė

Kai kuriems pusiausvyros laikai

Žemės klimato sistemos posistemių

Įtakos sritis klimato sistema	Atsiskaitymo laikas pusiausvyros būsena
Atmosfera: Laisvas Paribio sluoksnio
Pasaulio vandenynas: mišrus sluoksnis gilus vandenynas jūros ledas	nuo dienų iki 100 metų
Žemynai ežerai ir upės dirvožemio-augalijos dariniai sniego danga ir paviršinis ledas
kalnų ledynai
ledo lakštų
Žemės mantija	30 mln

Antropogeninio poveikio klimato sistemai mechanizmas pasireiškia šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimu ir albedo pokyčiais dėl žemės dangos rekonstrukcijos, trukdžių vandens ciklui ir atmosferos tarša. Aerozolio dalelės, kurių spindulys yra 10 -7 h10 -2 cm, randamos beveik visuose atmosferos aukščiuose. Ne antropogeninės kilmės dalelės į atmosferą patenka iš sausumos ar vandenyno paviršiaus, taip pat susidaro dėl cheminių dujų reakcijų. Antropogeninės kilmės dalelės daugiausia susidaro deginant kurą. 1 lentelėje pateikiama informacija apie šių dalelių srautų į atmosferą ryšį. 2.

2 lentelė

Mažesnio nei 20 mikronų spindulio dalelių, išmetamų į atmosferą arba susidarančių joje, srautų įverčiai (Butcher, Charleson, 1977)

Dalelių rūšis	Dalelių skaičius, 10 6 t/metus
Natūralios kilmės dalelės (atmosferos poveikis, erozija ir kt.)
Miško gaisrų ir miško atliekų deginimo dalelės
Jūros druska
Vulkaninės dulkės
Dalelės, susidarančios išskiriant dujas: natūralių procesų sulfatai iš H2S amonio druskos iš HN 3 nitratai iš N0 x bikarbonatai iš augalinių junginių antropogeninių procesų sulfatai iš SO 2 nitratų iš NOx bikarbonatai
Bendras į atmosferą išmetamų dalelių kiekis: dėl natūralių priežasčių dėl antropogeninių priežasčių
Bendras dalelių srautas į atmosferą

Dalelių įtakos atmosferos temperatūrai mechanizmas paaiškinamas tuo, kad į Žemę patenkanti saulės spinduliuotė, daugiausia 0,4–4 µm diapazone, iš dalies atsispindi ir sugeria. Tokiu atveju pasikeičia globalus sistemos „Žemės paviršius – atmosfera“ albedas. Be to, dalelės turi įtakos drėgmės kondensacijos procesams atmosferoje, nes jiems dalyvaujant susidaro debesys, lietus ir sniegas. Naudokime sistemos „Žemės paviršius-atmosfera“ šilumos balanso lygtį:

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

čia T S yra vidutinė efektyvi sistemos spinduliuotės temperatūra, artima vidutinio energijos lygio temperatūrai prie paviršiaus 400 mb, E 0 *=0,487 cal cm -2 min -1 - vidutinis įeinančios saulės spinduliuotės intensyvumas pusrutuliui; b- albedas; y \u003d 8,14-10 "" cal cm -2 min -1 Stefan-Boltzmann konstanta, E a - bendras antropogeninių energijos šaltinių intensyvumas paviršiaus vienete.

Tegu albedas b = b 0 - Db, kur b 0 = 0,35 - albedas šiuolaikinėmis sąlygomis, Db - nedidelė albedo dalis, nulemta antropogeninių aerozolių įtakos. Iš (4) lygties gauname temperatūros išraišką:

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

Darant prielaidą, kad 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) / y ] 1/4 (1 + 0,25 dB (1-b 0) -1) (6)

Iš (6) matyti, kad temperatūra esant ne per stipriam antropogeniniam poveikiui yra termino, apibūdinančio „Žemės paviršiaus ir atmosferos“ sistemos santykius, neatsižvelgiant į antropogeninius veiksnius, suma, o terminų T 1 ir T 2 , išreiškiančių atitinkamai šilumos ir aerozolių emisijos indėlis:

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,

Atkreipkite dėmesį, kad T 1 priedas šiuolaikinėmis sąlygomis yra labai mažas. Jei imsime E a \u003d 4 10 - 5 cal cm -2 min -1 ir todėl E a / E 0 *= 8,21 -10 - 4, tada T 1 \u003d 0,0079 ° С. Taigi tiesioginis pasaulio energijos poveikis vidutinei atmosferos temperatūrai šiuo metu yra nereikšmingas. Iš T1 išraiškos matyti, kad norint padidinti atmosferos temperatūrą dėl šilumos emisijos 0,5 °С, turi būti įvykdyta sąlyga Еа /Е0 * = 0,0052, o tai reiškia antropogeninių šilumos srautų į aplinką padidėjimą 63,4 karto. . Tai prilygsta energijos išskyrimui sudeginant 570 10 9 tonas standartinio kuro per metus.

Jeigu darysime prielaidą, kad energijos gamyba proporcinga gyventojų skaičiui, tai Т 1 = 96,046 k TG Gу S / Е 0 * , kur G – gyventojų tankis, žm./km 2; ties P - žemės plotas, km 2; k TG – vienam žmogui pagaminamos energijos kiekis, cal/min.

Jei nepaisysime aerozolio poveikio atmosferos šiluminiam režimui, tai tiesioginė spinduliuotė E, jos pokytis dE ir atmosferos drumstumo pokytis dB bus susieti su lygtimi: dE / E = k B dB, kur k B = 0,1154 km 2 / t yra proporcingumo koeficientas, B - antropogeninės kilmės aerozolių kiekis, t / km 2. Integravę šią lygtį, gauname: E \u003d E 0 * (1-b 0) exp (-k B B). Kita vertus, pagal albedo apibrėžimą E \u003d E 0 * (1- b) \u003d E 0 * (1- b 0 + dB). Sulyginę šias E išraiškas, gauname Db \u003d - (1-b 0). Todėl temperatūros pokytis, susijęs su antropogenine atmosferos tarša aerozoliais, yra lygus:

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

Kadangi vidutinis antropogeninės kilmės aerozolių išmetimas, daugelio autorių nuomone, yra 300 10 6 t/metus, o vidutinė aerozolių buvimo atmosferoje trukmė yra 3 savaitės, tai dalelių yra vidutiniškai 17 262 10 6 t. atmosfera. Iš T 2 formulės šiuo atveju išplaukia, kad atmosferos temperatūra turėtų sumažėti 0,84 °C per metus.

Daugelis autorių laiko atmosferos drumstumo koeficientą В T vietoj rodiklio b, apibrėždami jį kaip saulės spinduliuotės energijos susilpnėjimo tikrojoje atmosferoje koeficiento b r santykį su slopinimo koeficientu b I idealioje atmosferoje:

B T = b r / b I = (b I + b W - b A)/ b I , kur b W ir b A yra atitinkamai vandens garų ir aerozolių slopinimo koeficientai. Valstybinis istorijos muziejus priėmė šiuos vertinimus:

3 vidutinėse platumose,

B T = 3,5 atogrąžų platumose,

2 su sumažintu dulkių ir vandens garų kiekiu.

Žemės klimato modeliavimo patirtis rodo, kad daugelio autorių noras kuo tiksliau ir išsamiau atsižvelgti į visus įmanomus grįžtamuosius ryšius ir klimato sistemos elementus lemia sudėtingas matematines problemas, kurių sprendimas reikalauja didžiulio duomenų kiekio, t. o dažniausiai atitinkamų lygčių sprendiniai pasirodo esantys nestabilūs. Todėl tokių sudėtingų modelių panaudojimas kaip globalaus KPO sistemos modelio blokas neišvengiamai veda prie neigiamo rezultato, t.y. į tai, kad neįmanoma susintetinti efektyvaus modelio. Daug žadantis metodas yra klimato modelių ir pasaulinio stebėjimo duomenų derinys. Tokio derinio schema yra labai paprasta. Esamos antžeminės ir palydovinės klimato formavimo procesų stebėjimo sistemos apima tam tikrą žemės paviršiaus ląstelių (Sij) dalį. Virš šių celių matuojama temperatūra, drumstumas, vandens garų, aerozolių ir dujų kiekis, albedas ir daugelis kitų energijos srautų parametrų. Naudojant paprastus klimato modelius, taip pat erdvėlaikio interpoliavimo metodus, remiantis šiais matavimais galima atkurti išsamų klimato parametrų pasiskirstymo visoje Skydo teritorijoje vaizdą.

Socialinis aspektas pateko į sąveikos lauką su visuomenės ir gamtos santykio harmonijos problemomis. Biosferos likimas priklausys nuo to, kaip Žemės gyventojai greitai išspręs optimalios pusiausvyros tarp „pagrįsto“ ir „neprotingo“ požiūrio į aplinką problemas. Be to, kaip parodė modelių skaičiavimai, 90 % visos žmonijos turėtų su tuo susitaikyti. Tačiau mažai tikėtina, kad tokia gyventojų dalis šiuo istorijos tarpsniu sąmoningai, vadovaudamasi savo moraliniais ir etiniais principais, neskausmingai ir savanoriškai gali pereiti iš gamtos užkariavimo pozicijos į naujų harmoningų gamtos santykių kūrimo poziciją. ir visuomenė. Norint pasiekti pasaulinę harmoniją, būtina orientuotis į neigiamus aplinkos ir socialinius-ekonominius pokyčius, kad aplinkos žinios būtų pritaikytos praktikoje, t.y. jis turėtų būti perkeltas į konstruktyvų pritaikymo stadiją specialių technologijų, užtikrinančių aukštos kokybės sprendimų priėmimą aplinkos apsaugos srityje, forma.

Literatūra

1. V.F. Krapivinas, K.Ya. Kondratjevas. „Globalūs aplinkos pokyčiai: ekoinformatika“ – Sankt Peterburgas, 2002 m

2. http://climate2008.igce.ru/v2008/htm/1.htm- KLIMATO KAIČIŲ IR JŲ POVEIKIO RUSIJOS FEDERACIJOS TERITORIJAI VERTINIMO ATASKAITA

Panašūs dokumentai

Susipažinimas su klimato svyravimų ir pasaulinės temperatūros indeksų palyginimo su Žemės sukimosi svyravimais ypatumais. ENSO reiškinys kaip pagrindinis vandenyno ir atmosferos svyravimų būdas, reguliariai stebimas Ramiojo vandenyno pusiaujo.

baigiamasis darbas, pridėtas 2017-08-26


Ekologinių sistemų ir procesų modeliavimo proceso metodiniai ir teoriniai pagrindai. Paviršinio aktyvumo medžiagų poveikio vandens augalams tyrimas naudojant elodea pavyzdį. Sintetinių ploviklių komponentų lyginamoji analizė.

kursinis darbas, pridėtas 2013-01-23


Bendrieji modeliavimo principai ir uždaviniai. Bendra plėšrūno-grobio modelio samprata. Dviejų rūšių konkurencija. Pakopinio mozaikinio miško koncepcija, spragų modeliavimas. Rytų Sibiro borealinių miškų ekosistemos matematinis modelis. Modeliavimo problemos ekologijoje.

Kursinis darbas, pridėtas 2012-12-03


Dirvožemyje vykstančių procesų matematinių modelių vertė. Dirvožemių šiluminio ir temperatūros režimų, dirvožemių vandens režimo matematinis modelis. Humuso kaupimosi procesų modelio ypatumai ir agroekosistemų produktyvumo modeliavimo specifika.

Kursinis darbas, pridėtas 2012-05-31


Matematinis modeliavimas ekologijoje. „Predator-Prey“ tipo sąveika tarp rūšių. Kompiuterinis santykių modeliavimas. Stacionarieji lygčių sistemos taškai. Fazių trajektorijų konstravimas izoklininiu metodu. Skaitinis problemos modeliavimas.

santrauka, pridėta 2012-12-09


Gamtinių-technogeninių kompleksų procesų modeliavimo ypatumai. Sunkiųjų metalų ir lengvųjų naftos produktų judėjimo modelis. Natūralių-technogeninių kompleksų veikimo prognozavimas. Požeminio vandens mineralizavimas melioracijos sistemose.

santrauka, pridėta 2014-07-01


Amžinojo įšalo zona, jos savybės. Pasaulinės klimato kaitos dinamika ir pasekmės; neapibrėžtumo įvertinimas. Geokriologinių pavojų infrastruktūrai numatymas. Metano emisijos įtaka amžinojo įšalo degradacijos metu.

santrauka, pridėta 2014-11-07


Bendrosios ozono charakteristikos ir jo susidarymą lydintys procesai. Ozono reikšmė klimato sistemos funkcionavimui, jo pasiskirstymas su aukščiu. Atmosferos cirkuliacijos įtaka ozonosferos dinamikai, naikinimo priežastys ir pasekmės.

Kursinis darbas, pridėtas 2011-10-05


Sisteminio požiūrio į aplinkosaugos problemų sprendimą samprata. Ekologinių modelių ir procesų imitacinis modeliavimas. Dirvožemio užterštumo nustatymo ir dirvožemio charakteristikų matavimo prietaisai. Prietaisas greitajai toksiškumo analizei "Biotoks-10M".

Kursinis darbas, pridėtas 2010-06-24


Klimato būklės (atšilimo ir vėsinimo) Grenlandijoje tyrimas praėjusiomis epochomis naudojant Spa metodą. Giliavandenės gręžimo stoties vieta Šiaurės Atlante. Vakarų Sibiro klimato ir kraštovaizdžių būklės holoceno metu tyrimas.

Nuo praėjusio amžiaus pabaigos pastebėtas ypatingas susidomėjimo klimato kaita padidėjimas. Taip yra dėl gamtos pokyčių pagausėjimo, o tai jau akivaizdu paprasto pasauliečio lygmenyje. Kiek šiuos pokyčius lemia gamtiniai procesai, kiek jie susiję su žmogaus veikla? Šiandien tai mums padės išsiaiškinti pokalbis su ekspertais, vadovaujančiais Rusijos mokslų akademijos Skaičiavimo matematikos instituto mokslininkais. Jevgenijus Volodinas ir Nikolajus Dianskis, su kuriais šiandien kalbamės, institute užsiima klimato modeliavimu ir yra Rusijos Tarptautinės klimato kaitos grupės nariai ( Tarpvyriausybinė klimato kaitos komisija, IPCC).

— Kokie pasaulinės klimato kaitos faktai atsispindi tyrimuose ir įtraukiami į ketvirtąją vertinimo ataskaitą?

— Visi jaučiame visuotinio atšilimo pasekmes net buityje – pavyzdžiui, žiemos tapo šiltesnės. Jei atsigręžtume į mokslinius duomenis, jie taip pat rodo, kad 11 iš pastarųjų 12 metų yra patys šilčiausi per visą pasaulinės temperatūros instrumentinių stebėjimų laikotarpį (nuo 1850 m.). Per pastarąjį šimtmetį vidutinė pasaulinė oro temperatūra pasikeitė 0,74 °C, o per pastaruosius 50 metų temperatūros tendencija buvo beveik dvigubai didesnė už atitinkamą šimtmečio vertę. Jei kalbėtume apie Rusiją, tai žiemos mėnesiai daugumoje mūsų šalies per pastaruosius 20 metų buvo vidutiniškai 1–3 laipsniais šiltesni nei žiemos per pastaruosius dvidešimt metų.

Klimato kaita nereiškia paprasto temperatūros padidėjimo. Gerai žinomas terminas „pasaulinė klimato kaita“ reiškia visų geosistemų pertvarkymą. O atšilimas laikomas tik vienu pokyčių aspektu. Stebėjimo duomenys rodo Pasaulio vandenyno lygio kilimą, ledynų ir amžinojo įšalo tirpsmą, padidėjusį kritulių netolygumą, upių tėkmės pokyčius ir kitus globalius pokyčius, susijusius su klimato nestabilumu.

Reikšmingi pokyčiai įvyko ne tik vidutinėse klimato charakteristikose, bet ir klimato kintamumo bei ekstremalumo srityse. Paleoklimatiniai duomenys patvirtina neįprastą vykstančių klimato pokyčių pobūdį, bent jau per pastaruosius 1300 metų.

— Kaip sudaroma mokslinė klimato prognozė? Kaip kuriami klimato modeliai?

— Vienas iš svarbiausių šiuolaikinės klimatologijos uždavinių yra klimato kaitos prognozavimas ateinančiais šimtmečiais. Klimato sistemoje vykstančių procesų sudėtingumas neleidžia naudoti praeities tendencijų ekstrapoliacijos arba statistinių ir kitų grynai empirinių metodų prognozėms gauti. Norint gauti tokius įvertinimus, būtina sukurti sudėtingus klimato modelius. Tokiuose modeliuose ekspertai stengiasi kuo išsamiau ir tiksliau atsižvelgti į visus procesus, turinčius įtakos orui ir klimatui. Be to, prognozių objektyvumas pagerėja, jei naudojami keli skirtingi modeliai, nes kiekvienas modelis turi savo ypatybes. Todėl šiuo metu vykdoma tarptautinė programa, skirta palyginti klimato kaitos prognozes, gautas naudojant įvairius klimato modelius pagal IPCC pasiūlytus scenarijus, apie galimus šiltnamio efektą sukeliančių dujų, aerozolių ir kitų teršalų kiekio pokyčius atmosferoje ateityje. Šioje programoje dalyvauja Rusijos mokslų akademijos Kompiuterinės matematikos institutas (INM RAS). Iš viso ji apima apie dvi dešimtis modelių iš skirtingų šalių, kuriose pakankamai išplėtotos tokiems modeliams sukurti būtinos mokslo sritys: JAV, Vokietijos, Prancūzijos, Didžiosios Britanijos, Rusijos, Australijos, Kanados, Kinijos...

Pagrindiniai Žemės klimato modelio komponentai yra bendrieji atmosferos ir vandenyno cirkuliacijos modeliai, vadinamieji jungtiniai modeliai. Tuo pačiu metu atmosfera yra pagrindinis klimato kaitos „generatorius“, o vandenynas yra pagrindinis šių pokyčių „akumuliatorius“. INM RAS sukurtas klimato modelis atkuria didelio masto atmosferos ir Pasaulio vandenyno cirkuliaciją, gerai suderindamas su stebėjimų duomenimis ir kokybe, kuri nėra prastesnė už šiuolaikinius klimato modelius. Tai daugiausia pasiekiama dėl to, kad kuriant ir derinant bendros atmosferos ir vandenyno cirkuliacijos modelius, buvo galima užtikrinti, kad šie modeliai (neprisijungus) gana gerai atkartotų atmosferos ir vandenyno klimatines būsenas. . Be to, prieš pradedant prognozuoti būsimus klimato pokyčius, mūsų klimato modelis, kaip ir kiti, buvo patikrintas (kitaip tariant, išbandytas) dėl praeities klimato pokyčių nuo XIX amžiaus pabaigos iki šių dienų.

— O kokie modeliavimo rezultatai?

— Atlikome keletą eksperimentų pagal IPCC scenarijus. Svarbiausi iš jų yra trys: santykinai kalbant, tai pesimistinis scenarijus (A2), kai žmonių bendruomenė vystysis nekreipiant dėmesio į aplinką, vidutinio sunkumo (A1B), kai bus taikomi apribojimai, tokie kaip Kioto protokolas, ir optimistiškas (B1) – su griežtesniais antropogeninio poveikio apribojimais. Be to, pagal visus tris scenarijus daroma prielaida, kad kuro degimo tūris (taigi ir anglies išmetimas į atmosferą) augs, tik daugiau ar mažiau sparčiai.

Pagal pesimistinį, „šilčiausią“ scenarijų, vidutinis atšilimas šalia paviršiaus 2151–2200 m. palyginti su 1951–2000 m. bus apie 5 laipsnius šilumos. Esant vidutiniam vystymuisi, bus apie 3 laipsnius šilumos.

Didelis klimato atšilimas taip pat įvyks Arktyje. Net ir pagal optimistiškesnį scenarijų, XXI amžiaus antroje pusėje temperatūra Arktyje pakils apie 10 laipsnių, lyginant su XX amžiaus antrąja puse. Gali būti, kad mažiau nei po 100 metų poliarinis jūros ledas išsilaikys tik žiemą, o vasarą ištirps.

Tuo pačiu, pagal mūsų ir kitus modelius, ateinantį šimtmetį intensyvaus jūros lygio kilimo nebus. Faktas yra tas, kad Antarktidos ir Grenlandijos žemyninio ledo tirpimą didžiąja dalimi kompensuos padidėjęs sniego kiekis šiuose regionuose, susijęs su kritulių padidėjimu atšilimo metu. Pagrindinis indėlis į vandenyno lygio kilimą turėtų būti dėl vandens plėtimosi kylant temperatūrai.

Eksperimentų su klimato kaitos prognozavimo klimato sistemos modeliu INM RAS rezultatai kartu su kitų užsienio modelių rezultatais buvo įtraukti į IPCC ataskaitą, kuri kartu su A. Gore buvo apdovanota Nobelio taikos premija 2007 m.

Pažymėtina, kad iki šiol ketvirtojoje IPCC ataskaitoje iš Rusijos pateikti tik rezultatai, gauti naudojant INM klimato modelį.

— Sakoma, kad europietiški orai gimsta Atlante – ar tai tikrai tiesa?

— Oro reiškiniai, vykstantys virš Šiaurės Atlanto, tikrai turi didelį poveikį Europai. Taip yra todėl, kad vidutinio klimato platumose nuo Žemės paviršiaus iki 15-20 km vėjas daugiausia pučia iš vakarų į rytus, t.y. oro masės į Europą dažniausiai atkeliauja iš vakarų, iš Atlanto. Tačiau taip nutinka ne visada ir apskritai neįmanoma išskirti vienos vietos, kur visiškai susiformavo europietiški orai.

Europos orus, kaip didelio masto reiškinį, formuoja bendra Šiaurės pusrutulio atmosferos būklė. Natūralu, kad Atlanto vandenynas šiame procese užima reikšmingą vietą. Tačiau čia svarbiau yra ne vidinis cirkuliacinių vandenyno procesų kintamumas (nukrypimas nuo metinio kurso) Šiaurės Atlante, o tai, kad atmosfera, kaip daug kintesnė aplinka, Šiaurės Atlantą naudoja kaip energiją. rezervuaras savo kintamumui formuotis.

Čia pereiname nuo klimato prognozavimo ir modeliavimo prie orų prognozavimo ir modeliavimo. Turime atskirti šias dvi problemas. Iš esmės abiem problemoms spręsti naudojami maždaug tie patys modeliai, apibūdinantys atmosferos dinamiką. Skirtumas tas, kad orų prognozavimui labai svarbios pradinės modelio sąlygos. Jų kokybė daugiausia lemia prognozės kokybę.

Modeliuojant klimato kaitą nuo kelių dešimtmečių iki kelių šimtmečių ir tūkstantmečių, pradiniai duomenys nevaidina tokio svarbaus vaidmens, o svarbų vaidmenį atlieka atsižvelgimas į tuos išorinius poveikius atmosferos atžvilgiu, dėl kurių klimatas įvyksta pasikeitimas. Toks poveikis gali būti šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracijos pasikeitimas, vulkaninių aerozolių išmetimas į atmosferą, žemės orbitos parametrų pasikeitimas ir kt. Mūsų institutas kuria vieną iš šių modelių Roshydromet.

— Ką galima pasakyti apie klimato kaitą Rusijoje? Ko reikėtų ypač bijoti?

– Apskritai dėl atšilimo centrinės Rusijos klimatas kažkiek net pagerės, tačiau Rusijos pietuose dėl padidėjusio sausumo jis pablogės. Didelė problema kils dėl amžinojo įšalo atšildymo, kurio teritorijos užima didelius plotus.

Rusijoje, skaičiuojant atšilimą pagal bet kokį scenarijų, temperatūra kils maždaug dvigubai greičiau nei vidutiniškai Žemėje, tai patvirtina ir kitų modelių duomenys. Be to, mūsų modelio duomenimis, žiemą Rusijoje taps šilčiau nei vasarą. Pavyzdžiui, kai Rusijoje vidutinis pasaulinis atšilimas siekia 3 laipsnius, per metus atšils vidutiniškai 4–7 laipsniais. Tuo pačiu vasarą atšils 3–4 laipsniais, o žiemą – 5–10 laipsnių. Žiemos atšilimą Rusijoje, be kita ko, lems ir tai, kad atmosferos cirkuliacija šiek tiek pasikeis. Sustiprėjęs vakarų vėjas atneš daugiau šiltų Atlanto oro masių.

— Kokios yra TKKK ir ypač vietinių mokslininkų išvados dėl antropogeninio poveikio klimato kaitai?

– Istorinė patirtis rodo, kad bet koks įsikišimas į gamtą nelieka nenubaustas.

IPCC ataskaitoje pabrėžiama, kad pastaraisiais dešimtmečiais pastebėtas atšilimas daugiausia yra žmogaus įtakos pasekmė ir jo negalima paaiškinti vien natūraliomis priežastimis. Antropogeninis veiksnys yra bent penkis kartus didesnis nei saulės aktyvumo svyravimų poveikis. Šių išvadų patikimumas, remiantis naujausiais stebėjimų duomenų analizės rezultatais, vertinamas kaip labai aukštas.

Mūsų modeliavimo rezultatai taip pat įtikinamai parodo dominuojantį antropogeninio indėlio vaidmenį. Klimato modeliai gerai atkuria stebimą atšilimą, jei atsižvelgia į šiltnamio efektą sukeliančių dujų ir kitų dujų išmetimą dėl žmogaus veiklos, ir neatkuria atšilimo, jei atsižvelgiama tik į natūralius veiksnius. Kitaip tariant, modelių eksperimentai rodo, kad be žmogaus „indėlio“ klimatas nebūtų pasikeitęs pagal šiandienines vertybes.

Paaiškinkime, kad šiuolaikiniai klimato modeliai apima ir CO 2 koncentracijos skaičiavimą. Tokie modeliai rodo, kad natūralūs CO 2 koncentracijos svyravimai klimato sistemoje šimtmečių ar trumpesniais laikotarpiais neviršija kelių procentų. Apie tai byloja ir esamos rekonstrukcijos. Per pastaruosius kelis tūkstančius ikiindustrinės eros metų CO 2 koncentracija atmosferoje buvo stabili ir svyravo nuo 270 iki 285 ppm (milijoninių dalių). Dabar tai yra apie 385 ppm. Skaičiavimai su modeliais, taip pat vertinimai iš matavimų duomenų rodo, kad, priešingai, klimato sistema linkusi kompensuoti CO 2 emisijas, o tik apie pusė ar šiek tiek daugiau visų išmetamų teršalų tenka CO 2 koncentracijos atmosferoje didėjimui. Likusi pusė ištirpsta vandenyne ir padidina anglies masę augaluose ir dirvožemyje.

— Kaip, jūsų nuomone, pasikeis klimato prognozės?

„Klimato sistema yra labai sudėtinga, todėl žmonijai reikia patikimos prognozės. Visi iki šiol sukurti modeliai turi savo trūkumų. Tarptautinė mokslo bendruomenė iš esamų apie dvi dešimtis išrinko sėkmingiausių modelių, kuriuos palyginus skelbiama apibendrinta prognozė. Manoma, kad tokiu atveju kompensuojamos įvairių modelių klaidos.

Modeliavimas yra sunki užduotis ir daug darbo. Į skaičiavimus įtraukta daug parametrų, atsižvelgiant į transportavimo procesus, atmosferos ir vandenyno sąveiką. Dabar mūsų institute gaminama nauja modelio versija. Pavyzdžiui, yra problema prie ašigalio, kai dėl meridianų suartėjimo sumažėja žingsniai išilgai ilgumos, todėl modelio sprendime atsiranda nepagrįstas „triukšmas“. Naujasis modelis naudos didesnę erdvinę skiriamąją gebą atmosferos ir vandenyno modeliuose bei pažangesnį fizinių procesų parametrizavimą. Dėl to padidės modeliavimo tikslumas, o šiam naujo lygio modeliui bus sudaryta nauja prognozė.

Kažkodėl modeliavimo problemoms pas mus skiriama daug mažiau dėmesio nei Vakaruose, kur dideli finansiniai ir moksliniai ištekliai skiriami būtent skaitiniams atmosferos ir vandenyno cirkuliacijos modeliams kurti. Šioms užduotims atlikti reikalingos didelio našumo daugiaprocesorinės skaičiavimo sistemos (klimato prognozavimui naudojamas INM superkompiuteris įtrauktas į NVS šalių reitingą TOP-50). Mūsų darbą rėmė tik kai kurios Rusijos mokslų akademijos programos ir Rusijos fundamentinių tyrimų fondo projektai.

Artimiausiu metu pagal IPCC programą prasidės naujas eksperimentų su bendrais modeliais etapas. Šis etapas apims atnaujintus Žemės klimato modelius su didesne erdvine skiriamąja geba ir platesniu modeliuojamų fizinių procesų spektru. Klimato modeliai pamažu virsta visos žemės sistemos modeliais, kurie nebe tik apskaičiuoja atmosferos ir vandenyno dinamiką, bet ir apima detalius atmosferos chemijos, augmenijos, dirvožemio, jūrų chemijos ir biologijos bei kitų procesų submodelius. reiškiniai, turintys įtakos klimatui.

Įvadas

Pagrindinė šiuolaikinės klimato teorijos problema yra antropogeninės veiklos sukeltos klimato kaitos prognozavimo problema. Dėl specifinių klimato sistemos ypatumų, kurie bus aptarti toliau, šios problemos negalima išspręsti tradiciniais gamtos moksluose ne kartą patikrintais metodais. Galima teigti, kad pagrindinis šios problemos sprendimo metodologinis pagrindas šiuo metu yra skaitinis klimato sistemos modeliavimas naudojant globalius klimato modelius, kurie yra pagrįsti globaliais atmosferos ir vandenyno bendros cirkuliacijos modeliais. Natūralu, kad klimato modelių formulavimui reikalingi lauko eksperimentai, kurių rezultatų analizė leidžia suformuluoti vis tikslesnius konkrečių fizikinių procesų modelius, lemiančius klimato sistemos dinamiką. Tačiau tokie eksperimentai neišsprendžia pagrindinės problemos – nustatyti tikros klimato sistemos jautrumą mažiems išorės poveikiams.

Klimato sistema ir klimatas

Klimatas suprantamas kaip dažniausiai pasikartojančios tam tikros vietovės oro ypatybės, kurios sukuria tipišką temperatūros, drėgmės ir atmosferos cirkuliacijos režimą. Tuo pačiu „tipiškas“ reiškia tuos bruožus, kurie praktiškai nesikeičia per vieną kartą, t.y. apie 30-40 metų. Šios savybės apima ne tik vidutines vertes, bet ir kintamumo rodiklius, tokius kaip, pavyzdžiui, temperatūros svyravimų amplitudė. Kalbant apie tokius ilgalaikius procesus, neįmanoma atskirai vertinti jokios vietovės klimato. Dėl šilumos mainų ir oro cirkuliacijos jo formavime dalyvauja visa planeta. Todėl natūralu vartoti Žemės planetos klimato sampratą.Atskirų regionų klimato ypatumai yra bendrųjų dėsningumų lūžis konkrečioje situacijoje. Taigi pasaulinį klimatą sudaro ne tiek vietinis klimatas, kiek vietinis klimatas yra nulemtas pasaulinio klimato. O orus, o ne klimato kaitą lemia reiškiniai, vykstantys tik atmosferoje, bet ir kitose geosferose. Atmosferą ne tik įtakoja, bet ir nuo jos priklauso vandenynas, augmenija, sniego ir ledo danga, dirvožemis ir tolesnė žmogaus veikla. Taigi, klimato sistema apima atmosferą, taip pat kitų geografinio apvalkalo elementų procesus ir savybes, kurie veikia atmosferą ir priklauso nuo jos. Išoriniai reiškiniai, skirtingai nei vidiniai, veikia atmosferą, bet nuo jos nepriklauso. Pavyzdžiui, tokia yra spinduliuotė, sklindanti iš kosmoso.

Klimato sistemos kaip fizinio objekto ypatybės

Klimato sistema kaip fizinis objektas turi keletą specifinių savybių.

1. Pagrindiniai sistemos komponentai - atmosfera ir vandenynas - geometriškai gali būti laikomi plonomis plėvelėmis, nes vertikalios ir horizontalios skalės santykis yra apie 0,01 - 0,001. Taigi sistema yra beveik dvimatė, tačiau vertikali tankio stratifikacija yra labai svarbi, o didelio masto vertikalūs judesiai yra atsakingi už baroklinines energijos transformacijas. Būdingos energetiškai reikšmingų fizinių procesų laiko skalės svyruoja nuo 1 valandos iki dešimčių ir šimtų metų. Visa tai veda prie to, kad tokios sistemos laboratorinis modeliavimas, švelniai tariant, yra itin sunkus.

2. Neįmanoma atlikti tikslingo fizinio eksperimento su klimato sistema. Iš tiesų negalime pumpuoti klimato sistemos, pavyzdžiui, anglies dioksidu ir, išlaikant vienodas kitas sąlygas, išmatuoti gauto efekto.

3. Turime tik trumpas stebėjimo duomenų serijas ir net tik apie atskirus klimato sistemos komponentus. Žinoma, yra daug kitų svarbių klimato sistemos ypatybių, į kurias reikėtų atsižvelgti, tačiau net ir išvardintos aukščiau leidžia daryti išvadą, kad pagrindinė klimato sistemos tyrimo priemonė yra matematinis modeliavimas. Pastarųjų metų patirtis rodo, kad pagrindiniai klimato teorijos rezultatai buvo gauti remiantis globalių klimato modelių konstravimu ir panaudojimu.

Klimato sistemos matematiniai modeliai

Šioje dalyje trumpai aptarsime pagrindines prielaidas, kuriomis remiasi šiuolaikinių klimato modelių konstravimas. Šiuolaikiniai klimato modeliai yra modeliai, pagrįsti šiuolaikiniu bendros atmosferos ir vandenyno cirkuliacijos modeliu, o pagrindinė jų raidos kryptis yra vis tikslesnis visų fizinių procesų, susijusių su klimato formavimu, aprašymas. Šiuolaikiniai klimato modeliai kuriami remiantis keliais principais. Daroma prielaida, kad klasikinės pusiausvyros termodinamikos lygtys galioja lokaliai. Daroma prielaida, kad Navier-Stokes lygtys suspaudžiamam skysčiui galioja atmosferos ir vandenyno dinamikai apibūdinti. Kadangi šiuolaikiniuose modeliuose, daugiausia dėl skaičiavimo galimybių, naudojamos Reinoldso lygtys – Navier-Stokes lygtys, suvidurkintos pagal kai kurias erdvines ir laiko skales, manoma, kad yra esminė jų uždarymo galimybė. Uždarymo procedūroje daroma prielaida, kad antrinio tinklo masto procesų (mažesnių už vidurkinimo skalę) poveikis gali būti išreikštas didelio masto procesų charakteristikomis. Šie procesai apima:

1) spinduliuotės perdavimas (trumpųjų ir ilgųjų bangų spinduliavimas);

2) drėgmės faziniai virsmai ir vietinės sedimentacijos procesas;

3) konvekcija;

4) ribiniai ir vidiniai turbulentiniai sluoksniai (kai kurios šių sluoksnių charakteristikos yra aiškiai aprašytos);

5) nedidelės apimties orografija;

6) bangų pasipriešinimas (mažos apimties gravitacijos bangų sąveika su pagrindiniu srautu);

7) nedidelio masto sklaida ir sklaida;

8) nedidelio masto procesai aktyviame žemės sluoksnyje.

Galiausiai, norint apibūdinti didelio masto atmosferos ir vandenyno judesius, galioja hidrostatinė aproksimacija: vertikalų slėgio gradientą subalansuoja gravitacija. Norint naudoti tokį aproksimavimą, reikalingi papildomi supaprastinimai (pastovus Žemės spindulys, Koriolio jėgos komponentų nepaisymas su vertikaliuoju greičio komponentu), kad energijos tvermės dėsnis būtų įvykdytas lygčių sistemoje, kai nėra išorinių energijos šaltinių. ir išsklaidymas. Atmosferos ir vandenyno hidrotermodinamikos lygtys, potinklio masto procesų uždarymas ir ribinės sąlygos.

I. Visuotinė sprendžiamumo teorema bet kokiam savavališkai dideliam laiko intervalui t.

Deja, šiuo metu nėra tokios teoremos sferinėje koordinačių sistemoje su „teisingomis“ ribinėmis sąlygomis, o tai nėra tokių teoremų nebuvimo pasekmė trimatėms Navier-Stokes lygtims. Šiuolaikinių klimato modelių lygtys turi „2,5“ – matmenį, nes vietoj visos trečiosios judėjimo lygties naudojama hidrostatikos lygtis.

II. Pasaulinio pritraukiklio egzistavimas.

Šis teiginys įrodomas su sąlyga, kad S yra griežtai teigiamas apibrėžtas operatorius:

(Sϕ ϕ) ≥ µ(ϕ,ϕ), µ >0

Problema ta, kad bendruoju atveju to negalima parašyti, nes suspaudžiamo skysčio tęstinumo lygtis nėra skleidžianti.

III. Atraktoriaus matmenys.

Konstruktyvūs šios klasės modelių atraktorių matmenų įvertinimai yra labai grubūs. Tai yra viršutinės ribos, kurios paprastai netinka ankstesniame skyriuje aptartai teorijai.

UKRAINOS ŠVIETIMO IR MOKSLO MINISTERIJA

ODESOS VALSTYBINIO APLINKOS UNIVERSITETAS

Studentų mokslinėje konferencijoje OGECU

„Klimato modelių analizė naudojant fizikinius metodus“

Pagaminta šv.gr. VB-11

Smokova V.D.

Mokslinis patarėjas: d.t.s.

Romanova R.I.

Odesa – 2015 m

Bibliografija:

http://umeda.ru/concept_climate

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

Volodinas E.M., Dianskis N.A. Susieto atmosferos ir vandenyno bendros cirkuliacijos modelio atsakas į anglies dioksido padidėjimą.

Volodinas E.M., Dianskis N.A. Klimato kaitos modeliavimas XX-XX a., naudojant bendrą atmosferos ir vandenyno cirkuliacijos modelį.

Gritsun A.S., Dymnikovas V.P. Barotropinės atmosferos reakcija į nedidelį išorinį poveikį. Teorija ir skaitiniai eksperimentai.

Dymnikovas V.P., Lykosovas V.N., Volodinas E.M., Galinas V.Ya., Glazunovas A.V., Gritsunas A.S., Dianskis N.A., Tolstychas M.A., Chavro A. .IR. Klimato ir jo pokyčių modeliavimas. - In: "Šiuolaikinės skaičiavimo matematikos ir matematinio modeliavimo problemos",

Norint geriau suprasti sudėtingą klimato sistemą, kompiuterinės programos turėtų aprašyti klimato komponentų sąveikos modelį. Šie bendrieji cirkuliacijos modeliai (GCM) yra plačiai naudojami norint suprasti praeities klimato pokyčius ir bandyti nustatyti galimą būsimą klimato sistemos atsaką į besikeičiančias sąlygas. Ar pokyčiai gali įvykti per trumpą laiką, pavyzdžiui, dešimtmetį ar šimtmetį? Ar prieš pokyčius atsiras tokie reiškiniai, kaip, pavyzdžiui, El Ninjo dažnumo padidėjimas ir jų įsikišimas į šiltus vakarinius Ramiojo vandenyno vandenis, nukreiptus į Pietų Ameriką? Kokie yra skirtingi šilumos perdavimo į ašigalį mechanizmai, galintys suteikti kitų klimato būsenų esmę? Šie ir daugelis kitų klausimų rodo šiuolaikinių klimato tyrimų sudėtingumą. Paprasti priežastiniai paaiškinimai šioje arenoje dažniausiai žlunga. Sudėtingi kompiuteriniai modeliai yra praktiškai vieninteliai prieinami įrankiai, todėl jie dažniausiai naudojami teiginiams apie klimatą ir pasaulinę dinamiką įrodyti.

Per ir 20 metų klimato modeliuotojai naudoja tam tikrą Nacionalinio atmosferos tyrimų centro (NCAI) viešojo klimato modelio (MOC1) versiją. MOK1, kuris buvo pagamintas 1987 m., buvo naudojamas dideliuose serijiniuose superkompiuteriuose. Dabar daugelis šių tyrinėtojų naudoja MOK2 – žingsnį į priekį, kurio svarba apibūdinama kaip judėjimas iš kitos planetos į žemę. Šis žingsnis maždaug atitinka didelių, bendros atminties, lygiagrečių vektorinių kompiuterių, tokių kaipšauksmas YMP. Lygiagretūs kompiuteriai leidžia detaliau modeliuoti klimatą. Išsamus fizikinių procesų pusiausvyros modeliuose tyrimas priartėja prie stebimos padėties, kai padaugėja detalių modeliavimo ir įgyjama pasitikėjimo tuo, kas aprašyta fizikoje.

Šiuolaikiniai atmosferos klimato modeliai labai gerai apibūdina pasaulinės cirkuliacijos kokybinę struktūrą. Energijos perkėlimas iš šiltųjų pusiaujo regionų į šaltuosius ašigalius ir įprastų vėjų dalijimasis į dalis modeliavimuose atkuriamas tiek kokybiškai, tiek kiekybiškai. Tropinis Hadley vėjas, vidutinių platumų Ferrel vėjai ir reaktyviniai srautai gerai sutampa su stebėjimais. Tai yra pagrindiniai atmosferos cirkuliacijos modeliai, jaučiami žemės paviršiuje, pavyzdžiui, ramūs ruožai, pasatai, vidutinių platumų vakarų vėjai ir poliarinės aukštumos.

Modelių gebėjimas atkurti dabartinį klimatą stiprina pasitikėjimą jų fiziniu pagrįstumu. Tačiau šis teiginys nėra priežastis naudoti modelius būsimam klimatui prognozuoti. Kitas svarbus modelių naudojimo įrodymas buvo jų pritaikymas ankstesniems klimato režimams. IOC NCAI buvo naudojamas klimato poveikiui, kurį sukelia padidėjusi vasaros saulės spinduliuotė šiaurėje dėl Žemės orbitos pokyčių, imituoti. Viena iš pasekmių buvo pakilusi žemės temperatūra, sukėlusi intensyvesnius musonus. Saulės spinduliuotės padidėjimas arba sumažėjimas, kurį sukelia Žemės orbitos pokyčiai, yra siūloma sąlygų, suteikusių praėjusių laikotarpių klimatą, priežastis. Pasak Stefano Schneiderio iš NCAI, „kompiuterinių modelių gebėjimas atkurti vietinį klimato reakciją į saulės spinduliuotės pokyčius, atsirandančius dėl Žemės orbitos svyravimų, suteikia pagrindą pasitikėti šių modelių, kaip priemonių, leidžiančių numatyti būsimą klimato poveikį, patikimumu. dėl padidėjusio šiltnamio efekto“.

IOC 2, naujausias NCAI sukurtų klimato modelių serijos kodas, užfiksuoja sudėtingą aukščiau aprašytų fizinių procesų sąveiką. Šis klimato modelis, tinkamas universitetų ir pramoninių tyrimų naudotojams, imituoja laikui bėgant besikeičiančią klimato sistemos reakciją į kasdienius ir sezoninius saulės šilumos ir jūros paviršiaus temperatūros pokyčius. Per pastaruosius 10 metų ir artimiausioje ateityje šie modeliai sudaro įvairių klimato tyrimų ir scenarijų bandymų, naudojamų priimant nacionalinius energetikos ir aplinkos politikos sprendimus, pagrindą.

Lygiagretusis skaičiavimas, naudojamas pasaulinės cirkuliacijos modeliuose

Klimato tyrinėtojai palankiai įvertino kompiuterinių technologijų pažangą, nes ilgalaikis klimato modeliavimas gali užtrukti kelis mėnesius. Naujausios kartos superkompiuteriai yra paremti lygiagretumo idėja. „Intel Paragon XP/S 150“ gali išspręsti vieną sudėtingą užduotį, naudodamas bendrą 2048 procesorių greitį. Šis kompiuteris nuo kitų superkompiuterių skiriasi tuo, kad kiekvieno procesoriaus atmintis nėra prieinama kitiems procesoriams. Tokia sistema vadinama paskirstyta atmintimi, o ne bendra atmintimi. Šis kompiuterio dizainas leidžia taikyti didžiulį lygiagretumą atliekant užduotis, tačiau apsunkina skaičiavimų formulavimą.

IOC 2 naudojamas beveik išimtinai lygiagrečiuose superkompiuteriuose. Dideli skaičiavimo reikalavimai ir didelis modelio generuojamų išvesties duomenų kiekis neleidžia efektyviai juos naudoti darbo stočių klasės sistemose. MOC2 dinamikos algoritmo pagrindas yra sferiniai obertonai, mėgstamos matematikų ir fizikų funkcijos, kurios turi vaizduoti funkcijas kaip reikšmes sferos paviršiuje. Šis metodas paverčia sferos duomenis į kompaktišką, tikslų vaizdą. Duomenys apie 128x64 taškų tinklelį žemės paviršiuje gali būti pateikiami naudojant vos 882 skaičius (koeficientus), o ne 8192. Šis metodas ilgą laiką dominavo renkantis metodą orų ir klimato modeliams dėl sferinės harmonikos tikslumo. vaizdavimas ir transformacijos skaičiavimo metodų efektyvumas. Transformacija yra „pasaulinis“ metodas ta prasme, kad jis reikalauja duomenų iš viso pasaulio, kad būtų galima apskaičiuoti harmoninį koeficientą. Paskirstytos atminties lygiagrečiuose kompiuteriuose šiems skaičiavimams reikalingas ryšys tarp visų procesorių. Kadangi ryšys lygiagrečiame kompiuteryje yra brangus, daugelis manė, kad transformacijos metodas atgyveno savo laiką.

Tolesni ORNL tyrimai rado būdų, kaip organizuoti skaičiavimus, kad klimato modelis veiktų didžiuliuose lygiagrečiuose kompiuteriuose.

Prieš dalyvaujant ORNL tyrėjams, modelių lygiagretumas apsiribojo bendrosios atminties paradigma, kuri naudojo tik kelis – nuo ​​1 iki 16 – procesorių. Dėl pasaulinio sujungimo, reikalingo spektrinei transformacijai, paskirstytos atminties lygiagrečiai kompiuteriai neatrodė daug žadantys. Tačiau tolesni ORNL tyrimai atskleidė būdų, kaip organizuoti skaičiavimus, visiškai pakeisdami mūsų požiūrį ir suteikdami galimybę įdiegti MOC2 didžiuliuose lygiagrečiuose kompiuteriuose.

Mūsų tyrimai nustatė keletą lygiagrečių algoritmų, kurie palaiko konversijos metodo konkurencingumą, net kai ORNL naudoja daug procesorių, pvz., Intel Paragon XP/S 150. Šis galingas įrenginys turi 1024 mazgų plokštes, kurių kiekvienoje yra du skaičiavimo procesoriai ir ryšių procesorius. Visas MOK2 klimato modelis šiam lygiagrečiam kompiuteriui buvo sukurtas bendradarbiaujant ORNL, Argonne nacionalinės laboratorijos ir NCAI tyrėjams. Šiuo metu jį naudoja ORNL Kompiuterių mokslo ir matematikos katedra kaip pagrindą sukurti susietą vandenyno ir atmosferos klimato modelį, remiant Sveikatos ir aplinkos tyrimų departamentui.

Didėjant skaičiavimo galiai, kurią siūlo naujos kartos lygiagrečiai kompiuteriai, daugelis mokslininkų siekia patobulinti klimato modelį.

Didėjant skaičiavimo galiai, kurią siūlo naujos kartos lygiagrečiai kompiuteriai, daugelis tyrėjų nori patobulinti modelius, susiejant vandenyną ir atmosferą. Šis puikus modeliavimo pažanga priartina mus prie viso klimato sistemos modelio. Su tokio tipo įtaisytuoju modeliu atsivers daugybė klimato tyrimų sričių. Pirma, bus patobulintas anglies ciklo Žemėje modeliavimo metodas. Vandenyno ir sausumos procesai (pvz., miškai ir dirvožemis) veikia kaip atmosferos anglies kaupimosi šaltiniai ir vietos. Antra, atmosferos modelių įtraukimas su didelės skiriamosios gebos sūkuriais tvirtinančiais vandenyno modeliais leis mokslininkams stebėti iki šiol nesuprantamus klimato prognozavimo klausimus. Modeliai parodys tipišką vandenyno ir atmosferos sąveikos elgesį. „El Niño“ yra tik vienas iš sąveikos režimų. Šių režimų aptikimas ir atpažinimas padės išspręsti klimato prognozavimo problemą.

Mūsų modeliai gali būti naudojami numatant bendrą atmosferos poveikio, tiek dirbtinio, tiek natūralaus, atšilimo dėl „šiltnamio efekto“ ir aušinimo dėl sulfatų aerozolių, poveikį klimatui. Naudojant padidintą „Intel“, „IBM SP2“ arba „IBM SP2“ skaičiavimo galią Cray tyrimai T3D, mokslininkai turi žingsnis po žingsnio suprasti sudėtingas natūralių procesų ir žmogaus veiklos, pvz., iškastinio kuro deginimo ir mūsų žemiškųjų namų klimato, tarpusavio priklausomybes.

Klimato modelis yra matematinis klimato sistemos modelis.

Klimato sistemos modelyje turėtų būti formalizuotas visų jos elementų ir jų tarpusavio santykių aprašymas. Pagrindas yra termodinaminė konstrukcija, pagrįsta matematinėmis išsaugojimo dėsnių išraiškomis (tempo, energijos, masės, taip pat vandens garų atmosferoje ir gėlo vandens vandenyne ir sausumoje). Šis klimato modelio makroblokas leidžia atsižvelgti į energijos atėjimą iš išorės ir apskaičiuoti susidariusią planetos klimato būklę.

Termodinaminių procesų modeliavimas yra būtina, bet nepakankama sąlyga norint užtikrinti visišką klimato režimo atkūrimą. Svarbų vaidmenį atlieka kai kurie cheminiai procesai ir geocheminiai kontaktai tarp klimato sistemos elementų. Kartu kalbama apie ciklus arba ciklus – tai anglies ciklas vandenyne, deguonies (ir kitų: chloro, bromo, fluoro, vandenilio) ozono ciklai stratosferoje, sieros ciklas ir kt. vietą klimato modelyje turėtų užimti klimato požiūriu reikšmingų cheminių procesų makroblokas .

Trečiasis klimato sistemos makroblokas turėtų apimti klimato formavimo procesus, kuriuos užtikrina gyvų organizmų veikla sausumoje ir vandenyne. Šių pagrindinių sąsajų sintezė turėtų sudaryti idealų klimato modelį.

Modeliai turėtų būti kuriami atsižvelgiant į būdingą klimato formavimosi procesų laiką. Sukurti vieningą modelį, galintį veikti bet kokiu laiko mastu, jei ne neįmanoma, tai bent netikslinga skaičiavimo sąnaudų požiūriu. Todėl buvo priimta praktika kurti modelius, apibūdinančius tam tikro masto klimato procesus. Už modeliavimui pasirinktos skalės, lėtųjų procesų pusėje, naudojamos pastovios ribinės sąlygos ir parametrai (manoma, kad pokyčiai yra per lėti, lyginant su tiriamaisiais). Iš mažesnių mastelių daroma prielaida, kad atsiranda „greiti“ atsitiktiniai svyravimai, kurių išsamų aprašymą galima pakeisti statistine gautų efektų ataskaita (pavyzdžiui, per vidutinių būsenų gradientus, kaip įprasta pusiau. -empirinė turbulencijos teorija).

Bendrieji principai, kuriais grindžiamas idealus modelis, gali būti įgyvendinami įvairiais išsamumo laipsniais. Taigi šiuolaikiniuose modeliuose biologinis poveikis ir cheminiai procesai yra labai fragmentiški. Iš dalies taip yra dėl to, kad modeliai buvo sukurti, daugiausia dėmesio skiriant trumpalaikių klimato pokyčių tyrimui, o įvertinus ilgalaikius (pavyzdžiui, geocheminius) efektus, juos galima apibūdinti konstantų rinkiniu. Todėl šiuolaikiniai klimato modeliai pirmiausia yra termodinaminiai modeliai. Kai kuriais atvejais prie jų pridedami cheminiai arba biologiniai blokai su ribotu grįžtamojo ryšio rinkiniu.

Termodinaminiai modeliai savo ruožtu labai skiriasi procesų aprašymo detalumo laipsniu. Kai kurie yra pagrįsti supaprastintomis išraiškomis, kiti naudoja „visas“ matematines pagrindinių fizinių dėsnių rašymo formas. Remiantis tuo, kiekvienas modelis gali būti pavaizduotas kaip tam tikras algoritmų rinkinys, kurių dalis turi aiškų matematinį ir fizinį pagrindimą (ir šiuo požiūriu jis yra nepriekaištingas), o kita dalis yra fenomenologinio, imitacinio pobūdžio. Tai yra vadinamieji parametrai.

Skirtumai tarp „užbaigtų“ ir supaprastintų modelių pasireiškia tuo, kad pirmieji turi turtingesnį fizinį turinį. Dėl šios priežasties grįžtamojo ryšio, kuris automatiškai įdiegiamas visoje sistemoje, spektras yra platesnis. Supaprastintuose modeliuose reikiamus grįžtamuosius ryšius tenka „įterpti ranka“, tai yra priverstinai, dažnai be gilaus pagrindimo, prie lygčių pridedamos tam tikros priklausomybės. Tokio tipo procedūros sumažina modeliavimo vertę, nes dirbtinis grįžtamojo ryšio modelio primetimas iš tikrųjų iš anksto nulemia modeliavimo rezultatą a priori. Be to, nurodytas ryšys visada yra vienokia ar kitokia forma pagrįsta informacija apie esamą klimato būklę, o pereinant prie kitų klimato sąlygų negarantuojama, kad tokia konstrukcija duos patikimų rezultatų. Todėl modelių tobulinimas nėra savitikslis, o kelias į fiziškai pilnesnį veikimo mechanizmų atkuriamumą.

Tačiau visiškai atsisakyti efektų užduoties bus galima tik idealiame modelyje. Šiuolaikiniai modeliai neapima svarbių biologinių ir cheminių poveikių, kuriuos reikia parametrizuoti.

Nepaisant iš pažiūros aiškaus „pilnų“ modelių pranašumo, supaprastinti modeliai ir toliau naudojami ir kuriami. Taip yra dėl toliau nurodytų priežasčių. Pirma, vadinamieji „užbaigti“ modeliai iš tikrųjų, kaip jau buvo pažymėta, toli gražu nėra baigti, kai kurie juose esantys parametrai yra labai grubūs, būtent atskirų blokų netobulumas lemia viso modelio netobulumą. Antra, supaprastinti modeliai yra paprastesni, jų praktinis įgyvendinimas yra daug, iš esmės lengvesnis nei „pilni“ modeliai. Jie reikalauja mažesnio (didumo eilėmis!) kompiuterių greičio, todėl galima atlikti ilgalaikius kompiuterinius eksperimentus, atlikti preliminarius skaičiavimus, išbandyti naujas paramerizavimo schemas. Ketvirta, supaprastinti modeliai suteikia daug aiškesnius, lengviau interpretuojamus rezultatus nei „išsamūs“ modeliai. Toks rezultatų „skaidrumas“ kartais leidžia ištirti bet kokį individualų poveikį naudojant supaprastintą modelį – pavyzdžiui, išskirti tiesioginius ir grįžtamuosius terminio režimo ir paviršiaus albedo ryšius, atidžiai ištirti mažų dujų priemaišų spinduliuotės poveikį, ir tt

Jei klimato modelius reitinguosime pagal jų fizinio išbaigtumo laipsnį, o tuo pačiu ir pagal sudėtingumą, taip pat pagal didėjančius kompiuterio resursų reikalavimus (greitį, valiutos kursą su išoriniais įrenginiais), tai vadinamoji. Budyko-Sellers tipo modeliai bus paprasčiausi, tada „vidutinio sudėtingumo“ modeliai ir galiausiai pilni klimato modelių modeliai.

Visi modeliai, prieš juos naudojant diagnozuojant ir prognozuojant klimato kaitą, praeina patvirtinimo etapą. Tai apima patikrinimą, ar modeliai, atsižvelgiant į parametrų rinkinį, atitinkantį esamą klimatą formuojančių veiksnių būklę, gali tinkamai atkurti esamą klimatą tikrovėje. Jei tai atlikta pakankamai sėkmingai, galime ginčytis taip: jei modelis sugeba teisingai reaguoti į tam tikrą (paprastai kalbant, atsitiktinį) išorinių sąlygų rinkinį, jis lygiai taip pat sėkmingai atkurs sąlygas, atitinkančias kitą aibę. parametrų. Natūralu, kad ši sąlyga bus tikėtina tik tuo atveju, jei manoma, kad modelis yra baigtas, tai yra, jame nėra jokių derinimo parametrų ir jungčių.

Energijos balanso modeliai (Budyko-Sellers tipo modeliai) paremti supaprastinta klimato sistemos energijos biudžeto lygties išraiška, kurioje kaip nežinomas dydis veikia tik vienas dydis – temperatūra. Remiantis tokio tipo modeliais, pirmą kartą buvo įrodytas grįžtamojo ryšio tarp šiluminio režimo ir paviršiaus albedo efektyvumas. Yra vienmatės (su temperatūros priklausomybe nuo platumos) ir dvimatės (platumos ir ilgumos) modelių versijos.

Teigiami vidutinio sudėtingumo modelių aspektai yra akivaizdūs. Jie nekelia specialių reikalavimų kompiuterinėms technologijoms, todėl gali būti naudojami ilgalaikiams eksperimentams atlikti; gauti rezultatai, kaip ir bet kurio „paprasto“ modelio atveju, yra pakankamai aiškūs interpretacijai. Trūkumai irgi suprantami – esminis yra tai, kad nėra tikrumo, ar supaprastinti modeliai sugeba atkurti klimatą kitomis, kitokiomis nei šiuolaikinėmis, klimato formavimosi sąlygomis.

Kitas modelių kūrimo žingsnis yra vadinamieji bendrosios atmosferos cirkuliacijos modeliai. Šis pavadinimas priskiriamas pasauliniams trimačiams modeliams, pagrįstiems vadinamosiomis pilnosiomis termohidrodinamikos lygtimis. AGCM erdvinė skiriamoji geba yra nuo maždaug 200 x 200 km platumos ir ilgumos ir maždaug 20 lygių iki ~ 30 x 30 km ir 60 lygių atmosferoje. Jau devintajame dešimtmetyje buvo pasiektas optimalios AOGCM struktūros supratimas, o tai pakenktų modeliavimo uždaviniams ir kompiuterinių technologijų resursams.

Klimato modelių tobulinimas seka vandenynų modeliavimo tobulinimo keliu. Jau pasirodo modeliai su pirmųjų kelių dešimčių kilometrų raiška su keliomis dešimtimis vertikalių lygių, kurie turi svarbiausią modeliams savybę – juose automatiškai atkuriami sūkuriai vandenyne, pagrindinė cirkuliacija ir energiją laikantys dariniai, nenaudojant parametrų.

Žemės kvartalo plėtra seka detalaus hidrologinių procesų ir šilumos bei drėgmės mainų tarp žemės ir atmosferos aprašymo keliu, atsižvelgiant į augalinės dangos vaidmenį. Kai kuriais atvejais, priklausomai nuo modelių orientacijos, prie AGCM tvirtinami kontinentinio apledėjimo dinamikos blokai.

Tolesnis modelių kūrimas apima vėliau modeliuojamų laukų detalumo didinimą. Tam reikalingos bendros fizikų, matematikų ir šiuolaikinių kompiuterių architektūros specialistų pastangos, apskritai neaišku, ar tai leis pasiekti norimą fizinį modelio „išbaigtumą“, priartėjimą prie idealaus, nes iš karto iškyla naujos problemos tolesniam, gilesniam procesų svarstymui, stebėjimo duomenų tinklo nepakankamumo problema ir kt. Taigi esminis perėjimas nuo Reinoldso lygčių, kurios naudojamos didelės apimties dinamikai apibūdinti, prie Navier-Stokes lygčių. kils naujų problemų, ypač reikės išsamios informacijos apie erdvinį molekulinės klampos koeficiento pasiskirstymą ir pan.