Modelovanie klimatických procesov. Klimatológia Predikcia klimatických zmien Všeobecné modely cirkulácie

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Úvod

1. Globálna simulácia

Literatúra

Úvod

Súčasná etapa vedecko-technického pokroku, spojená s uvedomovaním si globálnej ekologickej situácie na Zemi s jej charakteristickými obmedzenými energetickými, geologickými, biogeocenotickými a inými zdrojmi, poukazuje na problém informačného zdroja braného vo vzťahu ku globálnym environmentálnym poznatkom – poznatkom podmienky pre vývoj človeka a prírody. Úroveň tohto zdroja bola po tisícročia určovaná slabo korelovanou celkovou aktivitou Hoto sapiens a bola relatívne malá až do začiatku priemyselnej éry. Potom, s pomerne rýchlym historickým prístupom k situácii, keď sa komerčný postoj k biosfére stal definujúcou stratégiou ľudstva a keď sa zviditeľnila ekologická slepá ulička, informačný zdroj vzrástol na škále významnosti až k limitným hodnotám.

Akýkoľvek environmentálny problém má „otvorenosť“, zaradenie do systému globálnych problémov modernosť, ktorej hlavnou je zachovanie homeostázy ľudstva (Kondhayev, 2000). To znamená, že „búrka nad biosférou“, ktorá vznikla a uskutočnila sa na konci dvadsiateho storočia, postavila civilizovaný svet pred problém prežitia druhu Homo sapiens a následne aj problém zodpovedného prístupu k prírode. . Zároveň vstúpili do interakcie ekologické a morálne problémy súčasne.

1. Globálna simulácia

Zapnuté súčasné štádium vedecko-technický pokrok v oblasti ochrany životného prostredia prebieha intenzívny vývoj, ktorého analýza umožňuje identifikovať vlastnosti environmentálne znalosti a problémy aplikovaných metód s cieľom stanoviť základné požiadavky na efektívne informačné technológie. Jedným z predpokladov na vytvorenie systémov sledovania stavu životné prostredie bola prítomnosť údajov rôznej kvality a množstvo nimi vytvorených matematických modelov rôzne druhy(bilančné, optimalizačné, evolučné, štatistické atď.). Syntetizované na základe parametrizácie a spravidla linearizácie zákonitostí prirodzený fenomén tieto modely zahŕňajú širokú škálu deterministických a pravdepodobnostných popisov geologických, ekologických, oceánologických, biogeochemických a biogeocenotických procesov globálneho, regionálneho a lokálneho charakteru. Prevažná väčšina z nich je zameraná na teoretické pochopenie vlastností živých systémov. vysoký stupeň s využitím existujúcich poznatkov a len malá časť je zameraná na prvé kroky k objektívnemu zhodnoteniu súčasnej globálnej environmentálnej situácie. Mnohé modely, ktoré sa líšia v cieľoch a matematickom aparáte popisu, sa ukazujú ako nútene drsné z dôvodu obmedzenosti, neúplnosti a nedostatočnosti informačnej základne, ako aj z dôvodu nedostatku moderných inštrumentálnych systémov v oblasti simulačného experimentu. Nárast počtu uvažovaných zložiek biosféry za účelom zvýšenia adekvátnosti skúmaných modelov, ako je známe, vedie k ich multiparametrickému charakteru, t. k problému „prekliatia multidimenzionality“.

Za hlavný nástroj riešenia týchto čŕt viacerí autori rozumne považujú metódu simulačného modelovania, ktorá umožňuje „spájať“ rôzne kvalitné dáta súvisiace s rôznymi matematickými formalizmami a odstraňovať multiparametrickosť. Požadovaný model je v tomto prípade postavený na základe empirických informácií, ktoré nie sú vopred obmedzené rámcom žiadneho matematického aparátu, ktorý určuje „mäkkosť“ formalizácie, ktorá je nevyhnutná v prípadoch, keď sú podstatné vzorce javov neznámy.

Rozvoj simulačného modelovania rozširovaním informačnej základne, kombinovaním formálnych a neformálnych metód v procese postupnej syntézy požadovaného modelu a napokon aj aktívnym napojením človeka na dialóg s počítačom, podľa mnohých výskumníkov, poskytne efektívnu technológiu pre systémovo-ekologické modelovanie. Aj teraz sa však ukazuje, že situácia nie je taká jednoznačná. Skutočne, ak porovnáme dostupné žiadosti o informácie v teréne otázky životného prostredia a existujúcej informačnej podpore ich riešenia (rôzne matematické a simulačné modely, princípy spracovania informácií o životnom prostredí), je ľahko vidieť, že nie všetky úrovne prírodných a antropogénne komplexy majú vyvinutý aparát na ich popis, a ešte viac na návrh efektívnych informačných technológií s cieľom získať potrebné hodnotenia problémových situácií. Ťažkosti, ktoré v tejto súvislosti vznikajú, nie sú len a ani nie tak technickým charakterom hromadenia modelov rôznych typov. Najzreteľnejšie sa tieto črty prejavujú v globálnom modelovaní, ktorého skúsenosti ukázali značnú a zásadne neodstrániteľnú neúplnosť poznatkov o procesoch prebiehajúcich v prírode, ktorá sa prejavuje tak fragmentáciou empirických údajov, ako aj absenciou adekvátnych predstáv o tzv. vzory evolúcie. prirodzené procesy. Už teraz je jasné, že mechanická množina modelových hierarchií a túžba akumulovať banky empirických údajov je pokusom o oživenie primitívnych schém uvažovania o holistickom obraze vývoja biosférických procesov bez nádeje na úspech, bez možnosti vysvetlenia. schopnosť živých systémov trvalej sebaorganizácie a bez výrazného pokroku smerom k pochopeniu zabehnutého mechanizmu fungovania systému Príroda-Spoločnosť. Situácia je taká, že je potrebné využívať počítačové technológie, ktoré kombinujú metódy evolučného a simulačného modelovania. To umožní zohľadniť vnútornú dynamiku (evolúciu) štruktúry modelovaných procesov a adaptívne syntetizovať modely v podmienkach neúplnosti a čiastočnej spoľahlivosti údajov.

Tradičné prístupy ku konštrukcii globálneho modelu sa stretávajú s ťažkosťami pri algoritmickom popise mnohých sociálno-ekonomických a klimatických procesov, takže sa v dôsledku toho musíme vysporiadať s informačnou neistotou. Rozvinuté prístupy ku globálnemu modelovaniu túto neistotu jednoducho ignorujú, výsledkom čoho je, že štruktúra modelov dostatočne nezachytáva reálne procesy. Spoločné využitie evolučného a simulačného modelovania umožňuje eliminovať túto nevýhodu syntézou kombinovaného modelu, ktorého štruktúra je podrobená adaptácii na základe prehistórie komplexu biosférických a klimatických zložiek. Implementáciu modelu je zároveň možné kombinovať aj v rôznych triedach modelov pomocou softvérových nástrojov na tradičných počítačoch a špeciálnych procesorov evolučného typu. Forma takejto kombinácie je rôznorodá a závisí od časopriestorovej úplnosti globálnych databáz.

Existujúce skúsenosti globálneho modelovania sú plné príkladov neprekonateľných ťažkostí pri hľadaní spôsobov, ako opísať vedecko-technický pokrok a ľudskú činnosť v jeho rôznych prejavoch. Nemenej ťažkosti vznikajú pri modelovaní klímy charakterizovanej superpozíciou procesov s rôznou časovou mierou variability. Čo sa týka úplnosti popisu v globálnom modeli, tu nie je možné jednoznačne načrtnúť hranice informačnej bezpečnosti a hranice potrebnej priestorovej a štrukturálnej podrobnosti. Preto bez toho, aby sme sa ponorili do prírodno-filozofickej analýzy globálnych problémov a bez snahy poskytnúť vyčerpávajúci recept na globálne modelovanie, budeme diskutovať iba o jednom z možných spôsobov, ktoré odrážajú, ako nám evolučné modelovanie v implementácii špeciálneho procesora umožňuje prekonať vyššie uvedené. -spomínané ťažkosti.

Úprava evolučného modelu podľa prehistórie prírodných rytmov umožňuje získať model, ktorý implicitne sleduje rôzne vzorce dynamiky systému Príroda-Spoločnosť v minulosti a umožňuje predpovedať v rovnakom časovom rytme. Špeciálna procesorová verzia modelu úplne odstraňuje všetky algoritmické a výpočtové ťažkosti, ktoré vznikajú v dôsledku veľkého rozmeru globálneho modelu a prítomnosti mnohých parametrických neistôt.

2. Modelovanie klimatických procesov

Klimatická zložka systému Príroda-Spoločnosť predstavuje najväčšie ťažkosti pri syntéze globálneho modelu, pretože sa vyznačuje veľkým počtom spätných väzieb, z ktorých väčšina je nestabilná. Patrí medzi ne ľadové albedo, žiarenie vodnej pary, zákalové žiarenie, aerosólové žiarenie a mnohé iné antropogénne štruktúry. Konštrukcia klimatického modelu si preto vyžaduje zohľadnenie mnohých faktorov, ktorých úloha pri jeho tvorbe v mnohých prípadoch nie je dobre pochopená. Pokusy o komplexný popis klimatického systému Zeme pomocou matematických metód zatiaľ nepriniesli výsledky, ktoré by sa dali využiť v Štátnom historickom múzeu.

Existujú dva prístupy k syntéze globálneho modelu. Jeden prístup je založený na zahrnutí biosférických komponentov do vytvorených alebo vyvinutých klimatických modelov. Ďalším prístupom je vyvinúť v rámci matematického modelu biosféry blok, ktorý by simuloval závislosť zložiek biosféry od klimatických parametrov. V prvom prípade ide o problémy nestability riešení zodpovedajúcich systémov diferenciálnych rovníc, čo sťažuje získanie prediktívnych odhadov globálnych zmien v životnom prostredí. V druhom prípade je možné získať stabilné predpovede environmentálnych zmien, ich spoľahlivosť však závisí od presnosti parametrizácie korelácií medzi klimatickými a biosférickými prvkami. Druhý prístup má tú výhodu, že umožňuje pripojiť klimatické modely k matematickému modelu biosféry, ktorý možno opísať na úrovni scenára. Podrobná analýza problematiky modelovania klímy a hodnotenia stav techniky možno nájsť v Marchukovi a Kondratievovi (1992), Kondratievovi (1999), Kondratievovi a Johannessenovi (1993). Tu rozoberáme množstvo modelov jednotlivých komponentov systému Príroda-Spoločnosť, ktoré zodpovedajú druhému prístupu. Sú medzi nimi modely všeobecnej cirkulácie atmosféry, interakcie atmosféry a oceánu, citlivosť klimatických parametrov na okrajové podmienky na zemskom povrchu, vzťah medzi biogeochemickými a klimatickými procesmi atď.

Klimatický systém je fyzikálno-chemicko-biologický systém s neobmedzeným stupňom voľnosti. Preto sú akékoľvek pokusy o modelovanie takéhoto zložitého systému spojené s neprekonateľnými ťažkosťami. Práve táto okolnosť vysvetľuje rôznorodosť parametrických popisov jednotlivých procesov v tomto systéme. Pri globálnom modeli s krokom časovej diskretizácie do jedného roka je prijateľným prístupom použiť dve možnosti: Prvou možnosťou je spoločné uplatňovanie korelácií medzi jednotlivými procesmi tvorby klímy na danom území v spojení s klimatickými scenármi. Druhá možnosť je založená na využití globálnych monitorovacích údajov, ktoré sú základom pre tvorbu radov údajov o klimatických parametroch s ich územno-časovým odkazom a slúžia na obnovenie úplného obrazu o ich priestorovom rozložení. Jednou z bežných korelačných funkcií je závislosť variácie priemerná teplota DT g „ atmosféry o obsahu CO 2 v nej:

25, oh? 1

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

kde o je pomer súčasného obsahu CO 2 v atmosfére C a (t) k jeho predindustriálnej úrovni C a (1850).

Z (1) je zrejmé, že Tg je rastúca funkcia množstva atmosférického CO 2 . Zvýšenie množstva CO 2 v atmosfére o 20 % vedie k zvýšeniu teploty o 0,3 °C. Zdvojnásobenie atmosférického CO2 spôsobí zvýšenie Tg o 1,3°C. Podrobná analýza funkcie (1) a porovnanie pozorovaných kĺbových variácií v DT g a o ukazujú, že aplikácia modelu (1) umožňuje zjednodušiť klimatický blok modelu Nature-Society. Najmä, ak sa (1) použije na výpočet (DT g) 2[ CO2 ] na zdvojnásobenie koncentrácie atmosférického CO 2 , potom na odhad súčasný trend pri zmene DT g môžete použiť vzorec:

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

kde podľa akceptovaných odhadov je predindustriálna hodnota Ca (1850) = 270 ppm.

Vzorec (2) dobre aproximuje už známe údaje s chybou okolo 50 %. Z (2) pri C a (1980) = 338 ppm totiž vyplýva, že DT g = 1,3 °K, zatiaľ čo skutočné oteplenie mnohí autori odhadujú na 0,6 °K.

Nepochybne vedená v posledné roky diskusie o skleníkovom efekte v dôsledku rastu čiastočný tlak CO 2 in zemskú atmosféru, by sa mala premietnuť do Štátneho historického múzea. Vzorec (1) zohľadňuje vplyv CO 2 Podľa Mintzera (1987) je možné rozšíriť úvahy o teplotnom efekte z iných skleníkových plynov:

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, kde

DT CO2 \u003d - 0,677 + 3,019 lp [C a (t) / C a (t o)],

DT N20 = 0,057 ([ N20(t)] 1/2 - [N20(to)] 1/2),

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

DT03 = 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)] .

Hodnota t 0 sa stotožňuje s rokom 1980, kedy sa predpokladá, že koncentrácie skleníkových plynov sú známe.

Medzi jednoduché vzorce na výpočet zemepisnej šírky strednej teploty nad glóbus môžete špecifikovať schémy navrhnuté Serginom (1974)

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

kde ts je zemepisná šírka v radiánoch, r je teplotný rozdiel medzi pólom a rovníkom, ts T je zemepisná šírka, v ktorej T(ts) = T g. Zmeny zemepisnej šírky v priebehu roka uspokojivo popisuje model (Sergin, 1974):

T e - 2c (T e - T N) / p pre severnú pologuľu,

T e - 2c (T e - T S) / p pre južnú pologuľu,

Tn, min +2t(TN, max - TN, min)/tD, tЄ;

Tn, min +2(tD - t) (TN, max - TN, min)/tD,tЄ;

Ts, max +2t(TS, min - TS, max)/t D,tЄ;

TS, max +2(tD - t) (TS, min - TS, max)/tD,tЄ;

TN, min (TS, min) a TN, max (TS, max) minimum a maximálna teplota na severnom (južnom) póle, respektíve °С; t D - dĺžka roka v jednotkách D, T e - teplota atmosféry na rovníku, ° C; Mnoho autorov používa takéto odhady,

ako TN, min = -30 °C, TN, max = 0 °C, Ts, min = -50 °C, TS, max = -10 °C, Te = 28 °C.

Samozrejme, takéto priemerné teploty podľa zón majú rozptyly, ktoré vedú k významným chybám. Pre presnejšie vyjadrenie úlohy rôznych faktorov pri zmene hlavného klimatického parametra, ktorým je teplota, je potrebné vypočítať príspevok každého faktora samostatne. Dá sa to urobiť na základe predpokladu aditívnosti úlohy spätnej väzby:

DT a , konečná = DT a + DT a , spätná väzba

DT a , konečná = DT a

Parameter b je vyjadrený ako zisk g: b = 1/(1-g). Hodnota exponentu g je ekvivalentná albedu b, ktoré v globálna škála je funkciou T a Hrubú aproximáciu tejto závislosti možno znázorniť v nasledujúcom tvare:

b ľad pri T a? ľad,

b(T a) = b voľné pri Ta? T zadarmo,

b voľný + b(T voľný - T) pri T ľade<Т а < Т free

Tu T ice a T free sú priemerné planetárne teploty, pri ktorých je celý povrch Zeme pokrytý ľadom alebo bez neho; b je koeficient prechodu medzi kritickými stavmi albeda Zeme. Zvyčajne sa berie T i ce Є °K.

Použitie jednoduchých a dosť hrubých klimatických modelov je možné spresniť zohľadnením charakteristických časov spätnej väzby. Niektoré odhady času nastolenia rovnováhy počas interakcie klimatických subsystémov sú uvedené v tabuľke. 1. Je vidieť, že časový rozsah oneskorení odozvy v rámci systému Príroda-Spoločnosť je rôznorodý a je potrebné ho brať do úvahy pri hodnotení dôsledkov zmien v rámci jedného alebo viacerých klimatických subsystémov. Najmä zásoby chladu v antarktickom ľadovom štíte sú také obrovské, že na zvýšenie jeho teploty na 0 °C bude potrebné znížiť priemernú teplotu Svetového oceánu o 2 °C, t.j. preniesť ho zo stavu Т 0 = 5,7 °С do stavu Т 0 = 3,7 °С. Berúc do úvahy údaje v tabuľke. 1 zotrvačnosť takejto operácie bude stovky rokov. Pozorovaná rýchlosť otepľovania klímy z antropogénnych dôvodov zatiaľ nemá také energetické náklady.

stôl 1

Pre niektorých rovnovážne časy

podsystémy klimatického systému Zeme

Oblasť vplyvu klimatický systém	Čas vyrovnania rovnovážny stav
Atmosféra: zadarmo hraničná vrstva
Svetový oceán: zmiešaná vrstva hlboký oceán morský ľad	od dní do 100 rokov
kontinentov jazerá a rieky pôdno-vegetačné útvary snehová pokrývka a povrchový ľad
horské ľadovce
ľadové pláty
Plášť Zeme	30 ma

Mechanizmus antropogénneho vplyvu na klimatický systém sa prejavuje prostredníctvom emisií skleníkových plynov a zmien albeda v dôsledku rekonštrukcie krajinných krytov, zásahov do vodného cyklu a znečistenia ovzdušia. Aerosólové častice s polomerom 10 -7 h10 -2 cm sa nachádzajú takmer vo všetkých nadmorských výškach atmosféry. Častice neantropogénneho pôvodu sa dostávajú do atmosféry z povrchu pevniny alebo oceánu a vznikajú aj v dôsledku chemických reakcií medzi plynmi. Častice antropogénneho pôvodu vznikajú najmä v dôsledku spaľovania paliva. Tabuľka 1 poskytuje predstavu o vzťahu medzi týmito tokmi častíc do atmosféry. 2.

tabuľka 2

Odhady tokov častíc s polomerom menším ako 20 mikrónov emitovaných do atmosféry alebo v nej vytvorených (Butcher, Charleson, 1977)

Druh častíc	Počet častíc, 10 6 t/rok
Častice prírodného pôvodu (zvetrávanie, erózia atď.)
Spaľovanie častíc lesných požiarov a lesného odpadu
Morská soľ
Sopečný prach
Častice vznikajúce pri uvoľňovaní plynov: prirodzené procesy sírany z H2S amónne soli z HN 3 dusičnany od N0 x hydrogénuhličitany z rastlinných zlúčenín antropogénne procesy sírany z SO2 dusičnanov z NOx bikarbonáty
Celkový počet častíc emitovaných do atmosféry: z prirodzených dôvodov z antropogénnych dôvodov
Celkový tok častíc do atmosféry

Mechanizmus vplyvu častíc na teplotu atmosféry sa vysvetľuje tým, že slnečné žiarenie dopadajúce na Zem najmä v rozsahu 0,4–4 µm sa nimi čiastočne odráža a pohlcuje. V tomto prípade sa mení globálne albedo systému „povrch Zeme – atmosféra“. Okrem toho častice ovplyvňujú procesy kondenzácie vlhkosti v atmosfére, pretože s ich účasťou dochádza k tvorbe mrakov, dažďa a snehu. Použime rovnicu tepelnej bilancie systému "povrch-atmosféra Zeme":

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

kde T S je priemerná efektívna teplota žiarenia systému, blízka teplote priemernej energetickej hladiny pri povrchu 400 mb, E 0 *=0,487 cal cm -2 min -1 - priemerná intenzita prichádzajúceho slnečného žiarenia pre hemisféru; b- albedo; y \u003d 8,14-10 "" cal cm -2 min -1 Stefan-Boltzmannova konštanta, E a - celková intenzita antropogénnych zdrojov energie na jednotku povrchu.

Nech albedo b = b 0 - Db, kde b 0 = 0,35 - albedo v moderných podmienkach, Db - malá časť albeda, určená vplyvom antropogénnych aerosólov. Z rovnice (4) dostaneme výraz pre teplotu:

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

Za predpokladu, že 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)

Z (6) vyplýva, že teplota pri nie príliš silných antropogénnych vplyvoch je súčtom pojmu popisujúceho vzťahy v systéme „zemský povrch - atmosféra“ bez zohľadnenia antropogénnych faktorov a pojmov T 1 a T 2, vyjadrujúcich podiel emisií tepla a aerosólov:

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

Všimnite si, že pridanie T1 v moderných podmienkach je veľmi malé. Ak vezmeme E a \u003d 4 10 - 5 cal cm -2 min -1, a teda E a / E 0 *= 8,21 -10 - 4, potom T 1 \u003d 0,0079 ° С. Priamy vplyv svetovej energie na priemernú teplotu atmosféry je teda v súčasnosti zanedbateľný. Z výrazu pre T1 vyplýva, že na zvýšenie teploty atmosféry v dôsledku emisií tepla o 0,5 °С musí byť splnená podmienka Еа /Е0 * = 0,0052, čo znamená zvýšenie antropogénnych tepelných tokov do okolia o 63,4-násobok. . To sa rovná uvoľneniu energie spaľovaním 570 10 9 ton štandardného paliva za rok.

Ak predpokladáme, že výroba energie je úmerná počtu obyvateľov, potom Т 1 = 96,046 k TG Gу S / Е 0 * , kde G je hustota obyvateľstva, ľudí / km 2; na J - plocha pozemku, km 2; k TG - množstvo vyrobenej energie na osobu, kal / min.

Ak zanedbáme vplyv aerosólu na tepelný režim atmosféry, tak priame žiarenie E, jeho zmena dE a zmena zákalu atmosféry dB budú súvisieť rovnicou: dE / E = k B dB, kde k B = 0,1154 km 2 / t je koeficient úmernosti, B - množstvo aerosólov antropogénneho pôvodu, t / km 2. Po integrácii tejto rovnice dostaneme: E \u003d E 0 * (1-b 0) exp (-k B B). Na druhej strane, podľa definície albeda, E \u003d E 0 * (1- b) \u003d E 0 * (1- b 0 + dB). Porovnaním týchto výrazov pre E dostaneme Db \u003d - (1-b 0). Preto sa zmena teploty spojená s antropogénnym znečistením atmosféry aerosólmi rovná:

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

Keďže priemerné uvoľňovanie aerosólov antropogénneho pôvodu je podľa mnohých autorov 300 10 6 t/rok a priemerný čas zotrvania aerosólov v atmosfére sa odhaduje na 3 týždne, v priemere sa v nich nachádza 17,262 10 6 t častíc. atmosféra. Zo vzorca pre T 2 v tomto prípade vyplýva, že teplota atmosféry by mala klesnúť o 0,84 °C/rok.

Mnohí autori uvažujú o faktore zákalu atmosféry В T namiesto ukazovateľa b, pričom ho definujú ako pomer koeficientu b r útlmu energie slnečného žiarenia v reálnej atmosfére ku koeficientu b I útlmu v ideálnej atmosfére:

B T = b r / b I = (b I + b W - b A) / b I, kde bW a bA sú koeficienty útlmu pre vodnú paru a aerosóly. Štátne historické múzeum prijalo tieto hodnotenia:

3 v stredných zemepisných šírkach,

B T = 3,5 v tropických zemepisných šírkach,

2 so zníženým obsahom prachu a vodných pár.

Skúsenosti s modelovaním klímy Zeme naznačujú, že túžba mnohých autorov čo najpresnejšie a najúplnejšie zohľadniť všetky možné spätné väzby a prvky klimatického systému vedie ku zložitým matematickým problémom, ktorých riešenie si vyžaduje obrovské množstvo údajov, napr. a vo väčšine prípadov sa riešenia zodpovedajúcich rovníc ukážu ako nestabilné. Preto použitie takýchto zložitých modelov ako bloku globálneho modelu systému KPO nevyhnutne vedie k negatívnemu výsledku, t.j. k nemožnosti syntetizovať efektívny model. Najsľubnejším prístupom je zďaleka kombinácia klimatických modelov s globálnymi monitorovacími údajmi. Schéma takejto kombinácie je veľmi jednoduchá. Existujúce pozemné a satelitné systémy na monitorovanie procesov formovania klímy pokrývajú určitú časť buniek (Sij) zemského povrchu. Nad týmito bunkami sa meria teplota, oblačnosť, obsah vodnej pary, aerosólov a plynov, albedo a mnohé ďalšie parametre energetických tokov. Použitie jednoduchých klimatických modelov, ako aj časopriestorových interpolačných metód umožňuje na základe týchto meraní rekonštruovať ucelený obraz o rozložení klimatických parametrov na celom území Štítu.

Sociálny aspekt vstúpil do oblasti interakcie s problémami harmónie vo vzťahu medzi spoločnosťou a prírodou. Osud biosféry bude závisieť od toho, ako obyvateľstvo Zeme rýchlo vyrieši problémy s hľadaním optimálnej rovnováhy medzi „rozumnými“ a „nerozumnými“ postojmi k životnému prostrediu. Navyše, ako ukázali modelové odhady, 90 % celého ľudstva by to malo akceptovať. Je však nepravdepodobné, že by v tejto etape dejín bola takáto časť populácie schopná vedome, podľa svojich morálnych a etických princípov, bezbolestne a dobrovoľne prejsť z pozície dobývania prírody do pozície rozvíjania nových harmonických vzťahov medzi prírodou. a spoločnosti. Pre dosiahnutie globálnej harmónie je potrebné zamerať sa na negatívne environmentálne a sociálno-ekonomické zmeny tak, aby sa environmentálne poznatky uviedli do praxe, t.j. mala by byť dovedená do štádia konštruktívnych aplikácií v podobe špecifických technológií, ktoré poskytujú vysoko kvalitné rozhodovanie v oblasti ochrany životného prostredia.

Literatúra

1. V.F. Krapivin, K.Ya. Kondratiev. "Globálne zmeny životného prostredia: ekoinformatika" - Petrohrad, 2002

2. http://climate2008.igce.ru/v2008/htm/1.htm- HODNOTIACA SPRÁVA O ZMENE KLÍMY A ICH VPLYVOCH NA ÚZEMÍ RUSKEJ FEDERÁCIE

Podobné dokumenty

Oboznámenie sa so zvláštnosťami porovnávania indexov klimatických výkyvov a globálnej teploty s výkyvmi rotácie Zeme. Fenomén ENSO ako hlavný spôsob oscilácií oceánskej atmosféry pravidelne pozorovaný v rovníkovej časti Tichého oceánu.

práca, pridané 26.08.2017


Metodologické a teoretické základy procesu modelovania ekologických systémov a procesov. Štúdium účinku povrchovo aktívnych látok na vodné rastliny na príklade elodea. Porovnávacia analýza zložiek syntetických detergentov.

ročníková práca, pridaná 23.01.2013


Všeobecné princípy a úlohy modelovania. Všeobecná koncepcia modelu dravec-korisť. Dva druhy konkurencie. Koncept vrstveného mozaikového lesa, modelovanie medzier. Matematický model ekosystému boreálnych lesov vo východnej Sibíri. Problémy modelovania v ekológii.

semestrálna práca, pridaná 12.03.2012


Hodnota matematických modelov procesov prebiehajúcich v pôdach. Matematický model tepelných a teplotných režimov pôd, vodný režim pôd. Vlastnosti modelu procesov akumulácie humusu a špecifiká modelovania produktivity agroekosystémov.

semestrálna práca, pridaná 31.05.2012


Matematické modelovanie v ekológii. Medzidruhová interakcia typu "Predator-Prey". Počítačové modelovanie vzťahov. Stacionárne body sústavy rovníc. Konštrukcia fázových trajektórií pomocou izoklinovej metódy. Numerická simulácia problému.

abstrakt, pridaný 12.09.2012


Vlastnosti modelovacích procesov v prírodno-technogénnych komplexoch. Model pohybu ťažkých kovov a ľahkých ropných produktov. Predpovedanie fungovania prírodno-technogénnych komplexov. Mineralizácia podzemných vôd v rekultivačných systémoch.

abstrakt, pridaný dňa 01.07.2014


Permafrost zóna, jej charakteristiky. Dynamika a dôsledky globálnych klimatických zmien; posúdenie neistoty. Predikcia geokryologických rizík pre infraštruktúru. Vplyv emisií metánu pri degradácii permafrostu.

abstrakt, pridaný 11.7.2014


Všeobecná charakteristika ozónu a procesy sprevádzajúce jeho vznik. Význam ozónu vo fungovaní klimatického systému, jeho rozloženie s výškou. Vplyv atmosférickej cirkulácie na dynamiku ozonosféry, príčiny a dôsledky deštrukcie.

ročníková práca, pridaná 5.10.2011


Koncepcia systematického prístupu k riešeniu environmentálnych problémov. Simulačné modelovanie ekologických modelov a procesov. Prístroje na zisťovanie znečistenia pôdy a meranie pôdnych charakteristík. Zariadenie na expresnú analýzu toxicity "Biotoks-10M".

ročníková práca, pridaná 24.06.2010


Štúdium stavu klímy (otepľovanie a ochladzovanie) v Grónsku v minulých epochách pomocou kúpeľnej metódy. Umiestnenie hlbokomorskej vrtnej stanice v severnom Atlantiku. Štúdium stavu klímy a krajiny západnej Sibíri v holocéne.

Od konca minulého storočia bol zaznamenaný osobitný nárast záujmu o klimatické zmeny. Je to spôsobené nárastom zmien v prírode, čo je zrejmé už na úrovni jednoduchého laika. Do akej miery sú tieto zmeny spôsobené prírodnými procesmi a do akej miery súvisia s ľudskou činnosťou? Dnes nám to pomôže zistiť rozhovor s odborníkmi, poprednými výskumníkmi z Ústavu výpočtovej matematiky Ruskej akadémie vied. Evgeny Volodin a Nikolai Diansky, s ktorými dnes hovoríme, sa zaoberajú modelovaním klímy v inštitúte a sú ruskými členmi Medzinárodného panelu pre zmenu klímy ( Medzivládny panel pre zmenu klímy, IPCC).

— Aké skutočnosti globálnej zmeny klímy sa odrážajú v štúdiách a sú zahrnuté vo štvrtej hodnotiacej správe?

— Dôsledky globálneho otepľovania pociťujeme všetci aj na úrovni domácností – napríklad zimy sa oteplili. Ak sa obrátime na vedecké údaje, tie tiež ukazujú, že 11 z posledných 12 rokov je najteplejších za celé obdobie inštrumentálnych pozorovaní globálnej teploty (od roku 1850). Za posledné storočie sa priemerná globálna teplota vzduchu zmenila o 0,74 °C, pričom lineárny teplotný trend za posledných 50 rokov bol takmer dvojnásobkom zodpovedajúcej hodnoty za storočie. Ak hovoríme o Rusku, tak zimné mesiace na väčšine územia našej krajiny boli za posledných 20 rokov v priemere o 1-3 stupne teplejšie ako zimy v predchádzajúcich dvadsiatich rokoch.

Zmena klímy neznamená jednoduché zvýšenie teploty. Zaužívaný pojem „globálna klimatická zmena“ znamená reštrukturalizáciu všetkých geosystémov. A otepľovanie sa považuje len za jeden aspekt zmeny. Údaje z pozorovaní poukazujú na stúpanie hladiny Svetového oceánu, topenie ľadovcov a permafrostu, zvýšenú nerovnomernosť zrážok, zmeny v tokoch riek a ďalšie globálne zmeny spojené s klimatickou nestabilitou.

Výrazné zmeny nastali nielen v priemerných klimatických charakteristikách, ale aj v premenlivosti a extrémnosti klímy. Paleoklimatické údaje potvrdzujú nezvyčajnú povahu prebiehajúcich klimatických zmien, prinajmenšom za posledných 1300 rokov.

— Ako sa robí vedecká klimatická predpoveď? Ako sa vytvárajú klimatické modely?

— Jednou z najdôležitejších úloh modernej klimatológie je úloha predpovedať zmenu klímy v nasledujúcich storočiach. Zložitosť procesov vyskytujúcich sa v klimatickom systéme neumožňuje použitie extrapolácie minulých trendov alebo štatistických a iných čisto empirických metód na získanie projekcií. Na získanie takýchto odhadov je potrebné zostaviť komplexné klimatické modely. V takýchto modeloch sa odborníci snažia čo najkompletnejšie a najpresnejšie zohľadniť všetky procesy, ktoré ovplyvňujú počasie a klímu. Navyše, objektívnosť prognóz sa zlepší, ak sa použije niekoľko rôznych modelov, pretože každý model má svoje vlastné charakteristiky. Preto v súčasnosti prebieha medzinárodný program na porovnanie predpovedí klimatických zmien získaných pomocou rôznych klimatických modelov podľa scenárov navrhnutých IPCC o možných budúcich zmenách v obsahu skleníkových plynov, aerosólov a iných znečisťujúcich látok v atmosfére. Na tomto programe participuje Ústav výpočtovej matematiky Ruskej akadémie vied (INM RAS). Celkovo pokrýva asi dve desiatky modelov z rôznych krajín, kde sa oblasti vedy potrebné na vytvorenie takýchto modelov dostatočne rozvinuli: z USA, Nemecka, Francúzska, Veľkej Británie, Ruska, Austrálie, Kanady, Číny...

Hlavnými komponentmi klimatického modelu Zeme sú všeobecné modely cirkulácie atmosféry a oceánu, takzvané spoločné modely. Atmosféra zároveň slúži ako hlavný „generátor“ klimatických zmien a oceán je hlavným „akumulátorom“ týchto zmien. Klimatický model vytvorený v INM RAS reprodukuje rozsiahlu cirkuláciu atmosféry a svetového oceánu v dobrej zhode s pozorovanými údajmi a s kvalitou, ktorá nie je horšia ako moderné klimatické modely. Dosahuje sa to najmä tým, že pri tvorbe a ladení modelov všeobecnej cirkulácie atmosféry a oceánu bolo možné zabezpečiť, aby tieto modely (v režime offline) celkom dobre reprodukovali klimatické stavy atmosféry a oceánu. . Navyše, predtým, ako sme začali predpovedať budúce klimatické zmeny, bol náš klimatický model, podobne ako ostatné, overený (inými slovami, testovaný) na reprodukcii minulých klimatických zmien od konca 19. storočia až po súčasnosť.

— A aké sú výsledky simulácie?

— Uskutočnili sme niekoľko experimentov podľa scenárov IPCC. Najdôležitejšie z nich sú tri: relatívne povedané, ide o pesimistický scenár (A2), keď sa ľudská komunita bude rozvíjať bez toho, aby venovala pozornosť životnému prostrediu, mierna (A1B), keď budú zavedené obmedzenia, ako je Kjótsky protokol a optimistický (B1) – s prísnejšími obmedzeniami antropogénneho vplyvu. Navyše, podľa všetkých troch scenárov sa predpokladá, že objem spaľovania paliva (a následne aj emisií uhlíka do atmosféry) porastie, len viac-menej rýchlym tempom.

Podľa pesimistického, „najteplejšieho“ scenára, priemerné oteplenie pri povrchu v rokoch 2151-2200. v porovnaní s rokmi 1951-2000. bude okolo 5 stupňov. Pri miernejšom vývoji to budú asi 3 stupne.

K výraznému otepľovaniu klímy dôjde aj v Arktíde. Aj podľa optimistickejšieho scenára sa v druhej polovici 21. storočia teplota v Arktíde zvýši asi o 10 stupňov oproti druhej polovici 20. storočia. Je možné, že za menej ako 100 rokov sa polárny morský ľad udrží iba v zime a roztopí sa v lete.

Zároveň podľa našich a iných modelov nedôjde v budúcom storočí k intenzívnemu stúpaniu hladiny morí. Faktom je, že topenie kontinentálneho ľadu Antarktídy a Grónska bude do značnej miery kompenzované nárastom snehových zrážok v týchto regiónoch, spojeným s nárastom zrážok počas otepľovania. Hlavný príspevok k zvýšeniu hladiny oceánov by mala pochádzať z expanzie vody so zvyšujúcou sa teplotou.

Výsledky experimentov s modelom klimatického systému INM RAS na predpovedanie klimatických zmien boli spolu s výsledkami iných zahraničných modelov zahrnuté do správy IPCC, ktorá bola v roku 2007 ocenená spolu s A. Goreom Nobelovou cenou za mier.

Treba poznamenať, že k dnešnému dňu sú z Ruska vo štvrtej správe IPCC prezentované iba výsledky získané pomocou klimatického modelu INM.

— Hovorí sa, že európske počasie sa rodí v Atlantiku – je to naozaj pravda?

— Poveternostné udalosti nad severným Atlantikom majú určite silný vplyv na Európu. Je to preto, že v miernych zemepisných šírkach od povrchu Zeme do 15-20 km vietor fúka najmä zo západu na východ, t.j. vzduchové hmoty prichádzajú do Európy najčastejšie zo západu, z Atlantiku. Nie vždy sa to však deje a vo všeobecnosti nie je možné určiť jedno miesto, kde sa úplne formuje európske počasie.

Európske počasie ako rozsiahly jav je tvorené celkovým stavom atmosféry severnej pologule. Prirodzene, Atlantik zaujíma v tomto procese významné miesto. Dôležitejšia tu však nie je vnútorná variabilita (odchýlka od ročného chodu) cirkulačných oceánskych procesov v severnom Atlantiku, ale skutočnosť, že atmosféra ako oveľa variabilnejšie prostredie využíva severný Atlantik ako energiu. rezervoár pre tvorbu vlastnej variability.

Tu sa presúvame od predpovede a modelovania klímy k predpovedi a modelovaniu počasia. Tieto dva problémy musíme oddeliť. V zásade sa pre oba problémy používajú približne rovnaké modely, ktoré popisujú dynamiku atmosféry. Rozdiel je v tom, že počiatočné podmienky modelu sú veľmi dôležité pre predpoveď počasia. Ich kvalita do značnej miery určuje kvalitu predpovede.

Pri modelovaní klimatických zmien na obdobie niekoľkých desaťročí až niekoľkých storočí a tisícročí nezohrávajú prvotné údaje až takú dôležitú úlohu a dôležitú úlohu zohráva zohľadnenie tých vonkajších vplyvov vo vzťahu k atmosfére, vďaka ktorým klíma nastane zmena. Takýmito vplyvmi môžu byť zmena koncentrácie skleníkových plynov, uvoľňovanie sopečných aerosólov do atmosféry, zmena parametrov zemskej obežnej dráhy a pod. Náš ústav vyvíja jeden z týchto modelov pre Roshydromet.

— Čo možno povedať o klimatických zmenách v Rusku? Čoho sa treba obzvlášť báť?

- Vo všeobecnosti sa v dôsledku otepľovania klíma stredného Ruska dokonca do určitej miery zlepší, no na juhu Ruska sa v dôsledku zvýšenej suchosti zhorší. Veľký problém vznikne v dôsledku rozmrazovania permafrostu, ktorého územia zaberajú veľké plochy.

V Rusku pri výpočte otepľovania podľa akéhokoľvek scenára bude teplota rásť približne dvakrát rýchlejšie ako je priemer na Zemi, čo potvrdzujú aj údaje iných modelov. Navyše, podľa našich modelových údajov sa Rusko v zime oteplí ako v lete. Napríklad pri priemernom globálnom oteplení o 3 stupne v Rusku bude oteplenie v priemere 4-7 stupňov za rok. Zároveň sa v lete oteplí o 3-4 stupne a v zime o 5-10 stupňov. Zimné oteplenie v Rusku bude spôsobené okrem iného aj tým, že sa mierne zmení atmosférická cirkulácia. Zosilnenie západných vetrov prinesie viac teplých atlantických vzduchových más.

— Aký je záver IPCC, a najmä domácich vedcov, pokiaľ ide o antropogénny príspevok k zmene klímy?

- Historická skúsenosť ukazuje, že akýkoľvek zásah do prírody nezostane nepotrestaný.

Správa IPCC zdôrazňuje, že otepľovanie pozorované v posledných desaťročiach je najmä dôsledkom ľudského vplyvu a nemožno ho vysvetliť len prírodnými príčinami. Antropogénny faktor je minimálne päťkrát väčší ako vplyv kolísania slnečnej aktivity. Spoľahlivosť týchto záverov na základe najnovších výsledkov analýzy pozorovaných údajov hodnotím ako veľmi vysokú.

Výsledky nášho modelovania tiež presvedčivo demonštrujú dominantnú úlohu antropogénneho príspevku. Klimatické modely dobre reprodukujú pozorované otepľovanie, ak zohľadňujú emisie skleníkových plynov a iných plynov v dôsledku ľudskej činnosti, a nereprodukujú otepľovanie, ak sa berú do úvahy iba prírodné faktory. Inými slovami, modelové experimenty dokazujú, že bez „príspevku“ človeka by sa klíma nezmenila na dnešné hodnoty.

Ujasnime si, že moderné klimatické modely zahŕňajú aj výpočet koncentrácie CO 2 . Takéto modely ukazujú, že prirodzené výkyvy koncentrácie CO 2 v klimatickom systéme v časovom rozmedzí storočí alebo menej nepresahujú niekoľko percent. Hovoria o tom aj existujúce rekonštrukcie. Za posledných niekoľko tisíc rokov predindustriálnej éry bola koncentrácia CO 2 v atmosfére stabilná a pohybovala sa od 270 do 285 ppm (parts per million). Teraz je to asi 385 ppm. Výpočty s modelmi, ako aj odhady z nameraných údajov ukazujú, že naopak, klimatický systém má tendenciu kompenzovať emisie CO 2 a len asi polovica alebo o niečo viac všetkých emisií ide na zvyšovanie koncentrácie CO 2 v atmosfére. Zvyšná polovica sa rozpúšťa v oceáne a ide na zvýšenie množstva uhlíka v rastlinách a pôde.

— Ako sa podľa vás budú vyvíjať klimatické predpovede?

„Klimatický systém je veľmi zložitý a ľudstvo potrebuje spoľahlivú predpoveď. Všetky doteraz vyvinuté modely majú svoje nevýhody. Medzinárodná vedecká komunita vybrala z existujúcich asi dvoch desiatok najúspešnejších modelov, ktorých porovnaním vychádza zovšeobecnená prognóza. Predpokladá sa, že chyby rôznych modelov sú v tomto prípade kompenzované.

Modelovanie je náročná úloha a veľa práce. Vo výpočtoch je zahrnutých veľa parametrov, berúc do úvahy transportné procesy, interakciu atmosféry a oceánu. Teraz sa v našom ústave vyrába nová verzia modelu. Problém je napríklad pri póle, kde sa v dôsledku konvergencie meridiánov zmenšujú kroky pozdĺž zemepisnej dĺžky, čo vedie k neodôvodnenému „hluku“ v modelovom riešení. Nový model bude využívať vyššie priestorové rozlíšenie v modeloch atmosféry a oceánov a pokročilejšiu parametrizáciu fyzikálnych procesov. Vďaka tomu sa zvýši presnosť simulácie a na tomto modeli novej úrovne sa vytvorí nová predpoveď.

Problémom modelovania sa u nás z nejakého dôvodu venuje oveľa menšia pozornosť ako na Západe, kde sú značné finančné a vedecké zdroje vyčlenené práve na úlohu vytvárania numerických modelov cirkulácie atmosféry a oceánu. Tieto úlohy vyžadujú vysokovýkonné viacprocesorové výpočtové systémy (superpočítač INM používaný na predpovedanie klímy je zaradený do hodnotenia TOP 50 krajín SNŠ). Našu prácu podporili len niektoré programy Ruskej akadémie vied a projekty Ruskej nadácie pre základný výskum.

V blízkej budúcnosti sa začne nová etapa experimentov so spoločnými modelmi v rámci programu IPCC. Táto fáza bude zahŕňať aktualizované modely zemskej klímy s vyšším priestorovým rozlíšením a zahrnutím širšej škály modelovaných fyzikálnych procesov. Klimatické modely sa postupne vyvíjajú na modely zemského systému ako celku, ktoré už nielen počítajú dynamiku atmosféry a oceánu, ale zahŕňajú aj detailné podmodely chémie atmosféry, vegetácie, pôdy, morskej chémie a biológie a ďalších procesov a javy, ktoré ovplyvňujú klímu.

Úvod

Ústredným problémom modernej klimatickej teórie je problém predpovedania klimatických zmien spôsobených antropogénnou činnosťou. Vzhľadom na špecifické vlastnosti klimatického systému, o ktorých bude reč nižšie, nie je možné tento problém vyriešiť tradičnými metódami, ktoré boli opakovane testované v prírodných vedách. Možno konštatovať, že hlavným metodologickým základom riešenia tohto problému je v súčasnosti numerické modelovanie klimatického systému pomocou globálnych klimatických modelov, ktoré vychádzajú z globálnych modelov všeobecnej cirkulácie atmosféry a oceánu. Prirodzene, formulácia klimatických modelov si vyžaduje terénne experimenty, ktorých analýza výsledkov umožňuje formulovať stále presnejšie modely špecifických fyzikálnych procesov, ktoré určujú dynamiku klimatického systému. Takéto experimenty však neriešia hlavný problém – určiť citlivosť skutočného klimatického systému na malé vonkajšie vplyvy.

Klimatický systém a klíma

Klíma je chápaná ako najčastejšie sa opakujúce poveternostné javy pre danú oblasť, ktoré vytvárajú typický režim teploty, vlhkosti a atmosférickej cirkulácie. Zároveň „typické“ označuje tie vlastnosti, ktoré zostávajú prakticky nezmenené počas jednej generácie, t.j. cca 30-40 rokov. Tieto vlastnosti zahŕňajú nielen priemerné hodnoty, ale aj ukazovatele variability, ako je napríklad amplitúda teplotných výkyvov. Pri riešení takýchto dlhodobých procesov nie je možné posudzovať klímu akejkoľvek oblasti izolovane. V dôsledku výmeny tepla a cirkulácie vzduchu sa na jeho tvorbe podieľa celá planéta. Preto je prirodzené používať pojem podnebie planéty Zem.Zvláštnosťami podnebia jednotlivých regiónov je lom všeobecných zákonitostí v konkrétnej situácii. Globálna klíma teda nie je ani tak tvorená lokálnou klímou, ale lokálnou klímou určuje globálna klíma. A počasie, nie klimatické zmeny, určujú javy, ktoré sa vyskytujú len v atmosfére, ale aj v iných geosférach. Atmosféru nielen ovplyvňuje, ale je od nej aj závislá oceán, vegetácia, snehová a ľadová pokrývka, pôda a ďalšia ľudská činnosť. Klimatický systém teda zahŕňa atmosféru, ako aj procesy a vlastnosti iných prvkov geografického obalu, ktoré ovplyvňujú atmosféru a závisia od nej. Vonkajšie javy na rozdiel od vnútorných ovplyvňujú atmosféru, ale nezávisia od nej. Takým je napríklad žiarenie prichádzajúce z vesmíru.

Vlastnosti klimatického systému ako fyzického objektu

Klimatický systém ako fyzický objekt má množstvo špecifických vlastností.

1. Hlavné zložky systému - atmosféra a oceán - možno geometricky považovať za tenké vrstvy, pretože pomer vertikálnej a horizontálnej mierky je asi 0,01 - 0,001. Systém je teda kvázi dvojrozmerný, avšak vertikálna stratifikácia hustoty je veľmi dôležitá a veľké vertikálne pohyby sú zodpovedné za baroklinické transformácie energie. Charakteristické časové škály energeticky významných fyzikálnych procesov sa pohybujú od 1 hodiny až po desiatky a stovky rokov. To všetko vedie k tomu, že laboratórne modelovanie takéhoto systému, mierne povedané, je mimoriadne náročné.

2. Nie je možné uskutočniť účelový fyzikálny experiment s klimatickým systémom. V skutočnosti nemôžeme napumpovať klimatický systém napríklad oxidom uhličitým a pri zachovaní rovnakých podmienok zmerať dosiahnutý efekt.

3. Máme k dispozícii len krátke série pozorovacích údajov a aj to len o jednotlivých zložkách klimatického systému. Samozrejme, existuje mnoho ďalších dôležitých čŕt klimatického systému, ktoré by sa mali zvážiť, avšak aj tie, ktoré sú uvedené vyššie, nám umožňujú dospieť k záveru, že hlavným prostriedkom na štúdium klimatického systému je matematické modelovanie. Skúsenosti z posledných rokov ukazujú, že hlavné výsledky klimatickej teórie boli získané na základe konštrukcie a využitia globálnych klimatických modelov.

Matematické modely klimatického systému

V tejto časti stručne rozoberieme hlavné predpoklady, na ktorých je založená konštrukcia moderných klimatických modelov. Moderné klimatické modely sú modely založené na modernom modeli všeobecnej cirkulácie atmosféry a oceánu a ústredným smerom ich vývoja je čoraz presnejší popis všetkých fyzikálnych procesov podieľajúcich sa na tvorbe klímy. Konštrukcia moderných klimatických modelov je založená na množstve princípov. Predpokladá sa, že rovnice klasickej rovnovážnej termodynamiky sú lokálne platné. Ďalej sa predpokladá, že Navier-Stokesove rovnice pre stlačiteľnú tekutinu sú platné na opis dynamiky atmosféry a oceánu. Keďže v moderných modeloch sa hlavne kvôli výpočtovým schopnostiam používajú Reynoldsove rovnice - Navier-Stokesove rovnice spriemerované na niektorých priestorových a časových mierkach, predpokladá sa, že existuje zásadná možnosť ich uzavretia. Postup uzatvárania predpokladá, že účinky procesov na úrovni podsiete (mierky menšie ako priemerná mierka) možno vyjadriť pomocou charakteristík procesov vo veľkom meradle. Tieto procesy zahŕňajú:

1) prenos žiarenia (krátkovlnné a dlhovlnné žiarenie);

2) fázové prechody vlhkosti a proces lokálnej sedimentácie;

3) konvekcia;

4) hraničné a vnútorné turbulentné vrstvy (niektoré charakteristiky týchto vrstiev sú explicitne opísané);

5) orografia malého rozsahu;

6) vlnový odpor (interakcia gravitačných vĺn malého rozsahu s hlavným tokom);

7) rozptyl a difúzia v malom rozsahu;

8) procesy malého rozsahu v aktívnej vrstve krajiny.

Nakoniec, na opis rozsiahlych atmosférických a oceánskych pohybov platí hydrostatická aproximácia: vertikálny tlakový gradient je vyvážený gravitáciou. Použitie takejto aproximácie si vyžaduje ďalšie zjednodušenia (konštantný polomer Zeme, zanedbanie zložiek Coriolisovej sily so zložkou vertikálnej rýchlosti), aby bol v sústave rovníc splnený zákon zachovania energie pri absencii vonkajších zdrojov energie. a rozptyl. Atmosférické a oceánske hydrotermodynamické rovnice, uzavretie procesov v mierke podsiete a okrajové podmienky.

I. Veta o globálnej riešiteľnosti na ľubovoľnom, ľubovoľne veľkom časovom intervale t.

Žiaľ, v súčasnosti neexistuje žiadna takáto veta v sférickom súradnicovom systéme so „správnymi“ okrajovými podmienkami, čo nie je dôsledkom absencie takýchto teorém pre trojrozmerné Navier-Stokesove rovnice. Rovnice moderných klimatických modelov majú "2,5" - rozmer, pretože namiesto úplnej tretej pohybovej rovnice sa používa rovnica hydrostatiky.

II. Existencia globálneho atraktora.

Toto tvrdenie je dokázané pod podmienkou, že S je striktne kladne určitý operátor:

(Sϕ ϕ) ≥ µ(ϕ,ϕ), µ >0

Problém je, že vo všeobecnom prípade sa to nedá napísať, pretože rovnica kontinuity pre stlačiteľnú tekutinu nie je disipatívna.

III. Rozmer atraktora.

Konštruktívne odhady rozmeru atraktorov pre modely tejto triedy sú veľmi hrubé. Sú to horné hranice, ktoré sú vo všeobecnosti nevhodné pre teóriu uvažovanú v predchádzajúcej časti.

MINISTERSTVO ŠKOLSTVA A VEDY UKRAJINY

ŠTÁTNA ENVIRONMENTÁLNA UNIVERZITA ODESA

Na študentskej vedeckej konferencii OGECU

"Analýza klimatických modelov pomocou fyzikálnych metód"

Vyrobené st.gr. VB-11

Smoková V.D.

Vedecký poradca: d.t.s.

Romanova R.I.

Odesa-2015

Bibliografia:

http://umeda.ru/concept_climate

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

Volodin E.M., Diansky N.A. Reakcia spojeného modelu všeobecnej cirkulácie atmosféry a oceánu na zvýšenie oxidu uhličitého.

Volodin E.M., Diansky N.A. Simulácia klimatických zmien v 20. - 22. storočí pomocou spoločného modelu všeobecnej cirkulácie atmosféry a oceánu.

Gritsun A.S., Dymnikov V.P. Reakcia barotropnej atmosféry na malé vonkajšie vplyvy. Teória a numerické experimenty.

Dymnikov V.P., Lykosov V.N., Volodin E.M., Galin V.Ya., Glazunov A.V., Gritsun A.S., Diansky N.A., Tolstykh M.A., Chavro A. .A. Modelovanie klímy a jej zmien. - In: "Moderné problémy výpočtovej matematiky a matematického modelovania",

Pre lepšie pochopenie zložitého klimatického systému by počítačové programy mali opísať interakčný model klimatických komponentov. Tieto modely všeobecného obehu (GCM) sa široko používajú na pochopenie minulých klimatických zmien a na pokus o identifikáciu možných budúcich reakcií klimatického systému na meniace sa podmienky. Môže zmena nastať v krátkom časovom období, ako je desaťročie alebo storočie? Budú zmenám predchádzať také javy, ako je napríklad zvýšenie frekvencie El Niňa a ich zásah do teplých západných vôd Tichého oceánu smerujúci do Južnej Ameriky? Aké sú rôzne mechanizmy prenosu tepla na pól, ktoré môžu poskytnúť podstatu iných stavov klímy? Tieto a mnohé ďalšie otázky poukazujú na zložitosť moderného výskumu klímy. Jednoduché kauzálne vysvetlenia v tejto aréne zvyčajne zlyhávajú. Sofistikované počítačové modely sú prakticky jediné dostupné nástroje, preto sa bežne používajú na dokazovanie tvrdení o klíme a globálnej dynamike.

Počas a 20 rokov používajú klimatickí modelári nejakú verziu modelu verejného podnebia (MOC1) Národného centra pre výskum atmosféry (NCAI). MOK1, ktorý bol vyrobený v roku 1987, sa používal na veľkých sériových superpočítačoch. Teraz mnohí z týchto výskumníkov používajú MOK2, krok vpred, ktorého dôležitosť je charakterizovaná ako presun z inej planéty na Zem. Tento krok zhruba zodpovedá príchodu veľkých, paralelných, vektorových počítačov so zdieľanou pamäťou, ako napr plakať YMP. Paralelné počítače umožňujú detailnejšie modelovanie klímy. Detailné štúdium rovnováhy fyzikálnych procesov v modeloch sa približuje k pozorovanej polohe s nárastom modelovania detailov a s dosiahnutím dôvery v to, čo popisuje fyzika.

Moderné modely atmosférickej klímy veľmi dobre popisujú kvalitatívnu štruktúru globálnej cirkulácie. Prenos energie z teplých rovníkových oblastí na studené póly a rozdelenie bežných vetrov na časti sú v simuláciách reprodukované kvalitatívne aj kvantitatívne. Tropický vietor Hadley, vetry Ferrel v strednej zemepisnej šírke a prúdové prúdy sú v dobrej zhode s pozorovaniami. Toto sú hlavné vzorce atmosférickej cirkulácie, ktoré sú cítiť na zemskom povrchu, ako sú pokojné pruhy, pasáty, západné vetry v strednej zemepisnej šírke a polárne výšky.

Schopnosť modelov reprodukovať súčasnú klímu buduje dôveru v ich fyzickú platnosť. Toto tvrdenie však nie je dôvodom na používanie modelov na predpovedanie budúcej klímy. Ďalším dôležitým dôkazom používania modelov bola ich aplikácia na minulé klimatické režimy. IOC NCAI bol použitý na simuláciu klimatických vplyvov spôsobených zvýšeným letným slnečným žiarením na severe v dôsledku zmien na obežnej dráhe Zeme. Jedným z dôsledkov bolo oteplenie zemskej teploty, ktoré spôsobilo intenzívnejšie monzúny. Nárast alebo pokles slnečného žiarenia spôsobený zmenami na obežnej dráhe Zeme je navrhovanou príčinou podmienok, ktoré poskytovali klímu minulých období. Podľa Stefana Schneidera z NCAI: „Schopnosť počítačových modelov reprodukovať miestne klimatické reakcie na zmeny slnečného žiarenia spôsobené zmenami na obežnej dráhe Zeme poskytuje základ pre dôveru v spoľahlivosť týchto modelov ako nástrojov na predpovedanie budúcich klimatických dopadov. zvýšeného skleníkového efektu“.

MOV 2, najnovší kód zo série klimatických modelov vyvinutých spoločnosťou NCAI, zachytáva komplexnú súhru fyzikálnych procesov opísaných vyššie. Tento klimatický model, ktorý je vhodný pre používateľov univerzitného a priemyselného výskumu, simuluje časovo premenlivú odozvu klimatického systému na denné a sezónne zmeny slnečného tepla a teploty povrchu mora. Za posledných 10 rokov a v dohľadnej budúcnosti tvoria tieto modely základ širokej škály klimatických výskumov a testovania scenárov používaných pri národných rozhodnutiach o energetickej a environmentálnej politike.

Paralelné počítanie používané v modeloch globálneho obehu

Pokroky v oblasti počítačovej technológie privítali klimatickí výskumníci, pretože dokončenie dlhodobých klimatických simulácií môže trvať mesiace výpočtového času. Najnovšia generácia superpočítačov je založená na myšlienke paralelizmu. Intel Paragon XP/S 150 dokáže vyriešiť jedinú náročnú úlohu pomocou kombinovanej rýchlosti 2048 procesorov. Tento počítač sa líši od ostatných superpočítačov tým, že pamäť každého procesora nie je dostupná pre iné procesory. Takýto systém sa nazýva distribuovaná pamäť a nie zdieľaná pamäť. Tento počítačový dizajn umožňuje použiť na úlohy obrovský paralelizmus, ale komplikuje formuláciu výpočtov.

MOV 2 sa používa takmer výlučne v paralelných superpočítačoch. Veľké výpočtové požiadavky a veľký objem výstupných dát generovaných modelom znemožňujú ich efektívne využitie v systémoch triedy pracovných staníc. Základ dynamického algoritmu v MOC2 je založený na sférických podtónoch, obľúbených funkciách matematikov a fyzikov, ktorí musia reprezentovať funkcie ako hodnoty na povrchu gule. Metóda konvertuje guľové dáta na kompaktnú a presnú reprezentáciu. Údaje pre mriežku 128 x 64 bodov na zemskom povrchu bolo možné znázorniť s použitím len 882 čísel (koeficientov) namiesto 8192. Táto metóda dominovala pri výbere metódy pre modely počasia a podnebia po dlhú dobu kvôli presnosti sférickej harmonickej reprezentácie a účinnosti metód použitých na výpočet transformácie. Transformácia je „globálna“ metóda v tom zmysle, že na výpočet harmonického koeficientu vyžaduje údaje z celej zemegule. V paralelných počítačoch s distribuovanou pamäťou tieto výpočty vyžadujú komunikáciu medzi všetkými procesormi. Keďže komunikácia v paralelnom počítači je drahá, mnohí si mysleli, že metóda transformácie prežila svoju dobu.

Ďalší výskum v ORNL našiel spôsoby, ako organizovať výpočty, aby klimatický model mohol bežať na obrovských paralelných počítačoch.

Pred zapojením výskumníkov ORNL bol paralelizmus v modeloch obmedzený na paradigmu zdieľanej pamäte, ktorá používala iba niekoľko - od 1 do 16 - procesorov. Kvôli globálnej väzbe potrebnej na spektrálnu transformáciu nevyzerali paralelné počítače s distribuovanou pamäťou sľubne. Ďalší výskum v ORNL však našiel spôsoby, ako organizovať výpočty, čo úplne zmenilo náš pohľad a umožnilo implementovať MOC2 na obrovských paralelných počítačoch.

Náš výskum identifikoval niekoľko paralelných algoritmov, ktoré udržujú metódu konverzie konkurencieschopnú, aj keď ORNL používa mnoho procesorov, ako napríklad Intel Paragon XP/S 150. Tento výkonný stroj má 1024 uzlových dosiek, z ktorých každá má dva výpočtové procesory a komunikačný procesor. Úplný klimatický model MOK2 bol vyvinutý pre tento paralelný počítač v spolupráci výskumníkov z ORNL, Argonne National Laboratory a NCAI. V súčasnosti ho používa Katedra informatiky a matematiky ORNL ako základ pre vývoj spojeného oceánsko-atmosférického klimatického modelu pod záštitou Ministerstva zdravotníctva a environmentálneho výskumu.

S rastom výpočtového výkonu, ktorý ponúka nová generácia paralelných počítačov, sa mnohí výskumníci snažia vylepšiť klimatický model.

S nárastom výpočtového výkonu, ktorý ponúka nová generácia paralelných počítačov, sa mnohí výskumníci snažia vylepšiť modely prepojením oceánu a atmosféry. Tento pozoruhodný pokrok v modelovaní nás privádza o krok bližšie ku kompletnému modelu klimatického systému. S týmto typom vstavaného modelu sa otvoria mnohé oblasti klimatických štúdií. Po prvé, bude existovať vylepšená metóda na simuláciu uhlíkového cyklu na Zemi. Oceánske a suchozemské procesy (napr. lesy a pôdy) fungujú ako zdroje a miesta pre ukladanie atmosférického uhlíka. Po druhé, začlenenie atmosférických modelov s oceánskymi modelmi s vysokým rozlíšením a vírmi umožní vedcom pozorovať doteraz nepochopiteľné otázky predpovede klímy. Modely ukážu typické správanie interakcie oceán-atmosféra. El Niño je len jedným z režimov interakcie. Detekcia a rozpoznanie týchto režimov pomôže nájsť kľúč k problému predpovedania klímy.

Naše modely by sa mohli použiť na predpovedanie celkového vplyvu pôsobenia proti atmosférickým vplyvom, umelým aj prirodzeným, otepľovaniu v dôsledku „skleníkového efektu“ a ochladzovaniu v dôsledku sulfátových aerosólov na klímu. Využitím zvýšeného výpočtového výkonu Intel, IBM SP2, príp Cray Research T3D, výskumníci musia postupovať krok za krokom v pochopení zložitých vzájomných závislostí medzi prírodnými procesmi a ľudskými aktivitami, ako je spaľovanie fosílnych palív a klíma nášho pozemského domova.

Klimatický model je matematický model klimatického systému.

Model klimatického systému by mal obsahovať formalizovaný popis všetkých jeho prvkov a vzťahov medzi nimi. Základom je termodynamická konštrukcia založená na matematických vyjadreniach zákonov zachovania (hybnosť, energia, hmotnosť, ako aj vodná para v atmosfére a sladká voda v oceáne a na súši). Tento makroblok klimatického modelu umožňuje zohľadniť príchod energie zvonku a vypočítať výsledný stav klímy planéty.

Modelovanie termodynamických procesov je nevyhnutnou, ale nie postačujúcou podmienkou na zabezpečenie úplnej reprodukcie klimatického režimu. Významnú úlohu zohrávajú niektoré chemické procesy a geochemické kontakty medzi prvkami klimatického systému. Zároveň sa hovorí o cykloch alebo cykloch - ide o uhlíkový cyklus v oceáne, kyslíkové (a iné: chlór, bróm, fluór, vodík) ozónové cykly v stratosfére, kolobeh síry atď. miesto v klimatickom modeli by mal zaujať makroblok klimaticky významných chemických procesov.

Tretí makroblok v klimatickom systéme by mal zahŕňať klímotvorné procesy zabezpečované činnosťou živých organizmov na súši a v oceáne. Syntéza týchto hlavných väzieb by mala predstavovať ideálny klimatický model.

Modely by sa mali vytvárať s prihliadnutím na charakteristický čas procesov podieľajúcich sa na tvorbe klímy. Vytvoriť jednotný model schopný pracovať v akomkoľvek časovom meradle je ak nie nemožné, tak prinajmenšom neúčelné z hľadiska výpočtových nákladov. Preto bola prijatá prax vytvárania modelov na popis klimatických procesov určitého špecifického rozsahu. Mimo mierky zvolenej na modelovanie sa na strane pomalých procesov používajú konštantné okrajové podmienky a parametre (predpokladá sa, že zmeny sú príliš pomalé v porovnaní so skúmanými zmenami). Zo strany menších mierok sa predpokladá, že dochádza k „rýchlym“ náhodným fluktuáciám, ktorých podrobný popis môže byť nahradený štatistickým popisom výsledných efektov (napr. cez gradienty stredných stavov, ako je zvykom v semi -empirická teória turbulencie).

Všeobecné princípy, ktoré sú základom ideálneho modelu, môžu byť implementované s rôznym stupňom úplnosti. Takže v moderných modeloch sú biologické účinky a chemické procesy extrémne roztrieštené. Čiastočne je to spôsobené tým, že modely boli vyvinuté so zameraním na štúdium krátkodobých klimatických zmien, pri zvažovaní dlhodobých (napríklad geochemických) vplyvov ich možno charakterizovať súborom konštánt. Moderné klimatické modely sú preto predovšetkým termodynamické modely. V niektorých prípadoch sa k nim pridávajú chemické alebo biologické bloky s obmedzeným súborom spätných väzieb.

Termodynamické modely sa zasa veľmi líšia mierou detailov v popise procesov. Niektoré sú založené na zjednodušených výrazoch, iné využívajú „úplné“ matematické formy zápisu základných fyzikálnych zákonov. V súlade s tým môže byť každý model reprezentovaný ako určitý súbor algoritmov, z ktorých niektoré majú jasné matematické a fyzikálne opodstatnenie (a z tohto hľadiska je bezchybný) a druhá časť je fenomenologického, napodobňujúceho charakteru. Ide o takzvané parametrizácie.

Rozdiely medzi „úplným“ a zjednodušeným modelom sa prejavujú v tom, že prvé majú bohatší fyzický obsah. Vďaka tomu je rozsah spätných väzieb, ktoré sú automaticky implementované do celého systému, širší. V zjednodušených modeloch sa potrebné spätné väzby musia „vkladať ručne“, to znamená násilne, často bez hlbokého zdôvodnenia, do rovníc sa pridávajú nejaké závislosti. Procedúry tohto typu znižujú hodnotu modelovania, keďže umelé uloženie spätnoväzbového modelu vlastne a priori predurčuje výsledok modelovania. Uvedený vzťah je navyše vždy v tej či onej podobe založený na informáciách o aktuálnom stave klímy a pri prechode na iné klimatické podmienky nie je zaručené, že takáto konštrukcia poskytne spoľahlivé výsledky. Zdokonaľovanie modelov preto nie je samoúčelné, ale cestou k fyzikálne úplnejšej reprodukovateľnosti operačných mechanizmov.

Úlohu efektov však bude možné úplne opustiť iba v ideálnom modeli. Moderné modely nezahŕňajú dôležité biologické a chemické účinky, ktoré je potrebné parametrizovať.

Napriek zdanlivo jasnej výhode „kompletných“ modelov sa naďalej používajú a vyvíjajú zjednodušené modely. Dôvodom sú nasledujúce dôvody. Po prvé, takzvané „kompletné“ modely v skutočnosti, ako už bolo uvedené, zďaleka nie sú úplné, niektoré parametrizácie v nich zahrnuté sú veľmi hrubé, konkrétne nedokonalosť jednotlivých blokov určuje nedokonalosť modelu ako celku. Po druhé, zjednodušené modely sú jednoduchšie, ich praktická implementácia je oveľa, zásadne jednoduchšia ako „úplné“ modely. Vyžadujú nižšiu (rádovo!) rýchlosť počítačov, a preto je možné vykonávať dlhodobé počítačové experimenty, predbežné výpočty a testovať nové paramerizačné schémy. Po štvrté, zjednodušené modely poskytujú oveľa jasnejšie a ľahšie interpretovateľné výsledky ako „kompletné“ modely. Táto „transparentnosť“ výsledkov niekedy umožňuje študovať akýkoľvek individuálny efekt pomocou zjednodušeného modelu – napríklad izolovať priame a spätnoväzbové vzťahy tepelného režimu a povrchového albeda, pozorne študovať radiačné účinky malých nečistôt plynov, izolovať priame a spätnoväzbové vzťahy medzi tepelným režimom a povrchovým albedom. atď.

Ak klimatické modely zoradíme podľa stupňa ich fyzikálnej úplnosti a zároveň podľa zložitosti, ako aj podľa zvyšujúcich sa požiadaviek na počítačové zdroje (rýchlosť, výmenný kurz s externými zariadeniami), potom tzv. najjednoduchšie budú modely typu Budyko-Sellers, potom modely „strednej zložitosti“ a nakoniec kompletné modely klimatických modelov.

Všetky modely pred použitím na účely diagnostiky a predpovedania klimatických zmien prechádzajú fázou overovania. Spočíva v preverení, či sú modely za predpokladu súboru parametrov, ktoré zodpovedajú aktuálnemu stavu klímotvorných faktorov, schopné adekvátne reprodukovať súčasnú klímu v skutočnosti. Ak sa to podarí dostatočne úspešne, môžeme argumentovať nasledovne: ak je model schopný správne reagovať na daný (všeobecne povedané náhodný) súbor vonkajších podmienok, potom rovnako úspešne reprodukuje podmienky zodpovedajúce inému súboru. parametrov. Prirodzene, táto podmienka bude prijateľná iba vtedy, ak sa predpokladá, že model je kompletný, teda bez akýchkoľvek ladiacich parametrov a spojení.

Modely energetickej bilancie (modely typu Budyko-Sellers) sú založené na zjednodušenom vyjadrení rovnice energetického rozpočtu klimatického systému, v ktorej ako neznáma veličina vystupuje iba jedna veličina, teplota. Na základe modelov tohto typu bola prvýkrát preukázaná účinnosť spätnej väzby medzi tepelným režimom a povrchovým albedom. Existujú jednorozmerné (s teplotnou závislosťou od zemepisnej šírky) a dvojrozmerné (zemepisná šírka a dĺžka) verzie modelov.

Pozitívne aspekty modelov strednej zložitosti sú zrejmé. Nekladú špeciálne požiadavky na výpočtovú techniku, a preto môžu byť použité na vykonávanie dlhodobých experimentov; získané výsledky, ako pri každom „jednoduchom“ modeli, sú dostatočne jasné na interpretáciu. Nedostatky sú tiež pochopiteľné – zásadným je, že nie je isté, či sú zjednodušené modely schopné reprodukovať klímu v iných, od moderných, klimatologických podmienok.

Ďalším krokom vo vývoji modelov sú takzvané modely všeobecnej cirkulácie atmosféry. Tento názov je priradený globálnym trojrozmerným modelom založeným na takzvaných úplných rovniciach termohydrodynamiky. Priestorové rozlíšenie AGCM je od približne 200x200 km v zemepisnej šírke a dĺžke a približne 20 úrovní až po ~30x30 km a 60 úrovní v atmosfére. Už v 90. rokoch sa podarilo pochopiť optimálnu štruktúru AOGCM, ktorá by ohrozila úlohy modelovania a zdroje výpočtovej techniky.

Zlepšenie klimatických modelov sleduje cestu zlepšovania modelovania oceánov. Už teraz sa objavujú modely s rozlíšením prvých pár desiatok kilometrov s niekoľkými desiatkami vertikálnych úrovní, ktoré majú pre modely najdôležitejšiu vlastnosť - víry v oceáne, hlavné cirkulačné a energiunosné útvary, sa v nich reprodukujú automaticky, bez použitia parametrizácie.

Vývoj pôdneho bloku sleduje cestu podrobného opisu hydrologických procesov a výmeny tepla a vlhkosti medzi pôdou a atmosférou s prihliadnutím na úlohu vegetačného krytu. V niektorých prípadoch, v závislosti od orientácie modelov, sú k AGCM pripojené bloky dynamiky kontinentálneho zaľadnenia.

Ďalší vývoj modelov zahŕňa následné zvýšenie detailov simulovaných polí. To si vyžaduje spoločné úsilie fyzikov, matematikov a špecialistov na architektúru moderných počítačov.Vo všeobecnosti nie je jasné, či to povedie k želanej fyzikálnej „úplnosti“ modelu, k jeho priblíženiu k ideálnemu, keďže okamžite vznikajú nové problémy pre ďalšie, hlbšie zvažovanie procesov, problémová nedostatočnosť pozorovacej dátovej siete atď. Tým pádom sa zásadný prechod od Reynoldsových rovníc, ktoré sa používajú na opis dynamiky vo veľkom meradle, k Navierovým-Stokesovým rovniciam. vzniknú nové problémy, najmä budú potrebné podrobné informácie o priestorovej distribúcii koeficientu molekulovej viskozity atď.