İklim süreçlerinin modellenmesi. Klimatoloji İklim değişikliği tahmini atmosferik genel sirkülasyon modelleri

İyi çalışmanızı bilgi tabanına göndermek basittir. Aşağıdaki formu kullanın

Bilgi tabanını çalışmalarında ve çalışmalarında kullanan öğrenciler, lisansüstü öğrenciler, genç bilim insanları size çok minnettar olacaklardır.

giriiş

1. Küresel modelleme

Edebiyatlar

giriiş

Bilimsel ve teknolojik ilerlemenin mevcut aşaması, enerji, jeolojik, biyojeosenotik ve diğer kaynaklarla ilgili karakteristik sınırlamalarla birlikte Dünya üzerindeki küresel çevresel duruma ilişkin farkındalıkla birleştiğinde, küresel çevreyle ilgili olarak alınan bir bilgi kaynağı sorununu ön plana çıkarıyor. bilgi - insanın ve doğanın evrimi koşulları hakkında bilgi. Bu kaynağın binlerce yıldaki seviyesi, Homo Sapiens'in zayıf korelasyonlu toplam faaliyeti tarafından belirlendi ve endüstriyel çağın başlangıcına kadar nispeten küçüktü. Ardından, biyosfere yönelik ticari tutumun insanlığın belirleyici stratejisi haline geldiği ve ekolojik bir çıkmazın görünür hale geldiği duruma oldukça hızlı bir tarihsel yaklaşımla, bilgi kaynağının önem ölçeğinde maksimuma yakın değerlere yükseldi. .

Her çevre sorununun “açıklığı” vardır, sisteme dahil olma özelliği vardır küresel sorunlar modernlik, bunların en önemlisi insanlığın homeostazisini korumaktır (Kondgauev, 2000). Bu, yirminci yüzyılın sonunda ortaya çıkan ve gerçekleşen “biyosfer üzerindeki fırtınanın” uygar dünyayı Homo Sapiens türünün hayatta kalması sorunuyla ve dolayısıyla doğaya karşı sorumlu bir tutum sorunuyla karşı karşıya bıraktığı anlamına geliyor. . Aynı zamanda çevresel ve ahlaki sorunlar da etkileşime girdi.

1. Küresel modelleme

Açık modern sahneçevre koruma alanında bilimsel ve teknolojik ilerleme, analizi tanımlamamıza olanak tanıyan yoğun gelişmeler devam ediyor özellikler Etkili bilgi teknolojisi için temel gereksinimleri oluşturmak amacıyla çevre bilgisi ve uygulanan yöntemlerin sorunları. Durum takip sistemleri oluşturmanın ön koşullarından biri çevre farklı kalitede verilerin varlığı ve bunlar tarafından oluşturulan matematiksel modellerin çokluğundan kaynaklanıyordu çeşitli türler(denge, optimizasyon, evrimsel, istatistiksel vb.). Parametreleştirmeye ve kural olarak kalıpların doğrusallaştırılmasına dayalı olarak sentezlenir doğal olaylar Bu modeller, küresel, bölgesel ve yerel nitelikteki jeolojik, çevresel, oşinolojik, biyojeokimyasal ve biyojeosenotik süreçlerin deterministik ve olasılıksal tanımlarından oluşan geniş bir cephanelik içerir. Bunların büyük çoğunluğu canlı sistemlerin özelliklerinin teorik olarak anlaşılmasına odaklanmıştır. yüksek seviye Mevcut bilginin kullanılması ve yalnızca küçük bir kısmı, mevcut küresel çevresel durumun objektif bir değerlendirmesine yönelik ilk adımları hedeflemektedir. Hedefler ve matematiksel açıklama aparatları bakımından farklılık gösteren birçok model, sınırlı, eksik ve yeterince belirlenmemiş bilgi tabanının yanı sıra simülasyon deneyleri alanında modern enstrümantal sistemlerin bulunmaması nedeniyle kaba görünmektedir. Bilindiği gibi, üzerinde çalışılan modellerin yeterliliğini artırmak amacıyla incelenen biyosfer bileşenlerinin sayısının arttırılması, bunların çok parametreli doğasına yol açmaktadır; “çok boyutluluğun laneti” sorununa.

Bu özellikleri çözmenin ana aracı olarak, bazı yazarlar, farklı matematiksel formalizmlerle ilgili farklı kalitedeki verileri "birleştirmeyi" ve çoklu parametreleri kaldırmayı mümkün kılan simülasyon modelleme yöntemini makul bir şekilde değerlendirmektedir. Arzu edilen model, önceden herhangi bir matematiksel aparatın çerçevesiyle sınırlandırılmayan, fenomenlerin temel kalıplarının bilinmediği durumlarda kaçınılmaz olan, formalizasyonun "yumuşaklığını" belirleyen ampirik bilgiye dayalı olarak oluşturulur.

Birçok araştırmacıya göre, bilgi tabanını genişleterek, gerekli modelin adım adım sentezi sürecinde resmi ve resmi olmayan yöntemleri birleştirerek ve son olarak bir kişiyi aktif olarak bir bilgisayarla diyaloğa bağlayarak simülasyon modellemenin geliştirilmesi, sistemik çevresel modelleme için etkili bir teknoloji sağlayacaktır. Ancak durumun bu kadar net olmadığı artık ortaya çıkıyor. Aslında bölgedeki mevcut bilgi taleplerini karşılaştırırsak Çevre sorunları ve bunların çözümü için mevcut bilgi desteği (çeşitli matematiksel ve simülasyon modelleri, çevresel bilgilerin işlenmesi ilkeleri), doğal ve antropojenik kompleksler bunların açıklanması ve hatta daha da önemlisi etkili tasarımların tasarımı için gelişmiş bir aparata sahiptir. Bilişim Teknolojileri Sorunlu durumların gerekli değerlendirmelerini elde etmek için. Bu bağlamda ortaya çıkan zorluklar, çeşitli türdeki modellerin birikmesi nedeniyle sadece teknik değildir. Bu özellikler en açık şekilde, hem ampirik verilerin parçalanmasında hem de yasalar hakkında yeterli fikirlerin eksikliğinde kendini gösteren, doğada meydana gelen süreçler hakkında önemli ve temelde giderilemez bir bilgi eksikliği gösteren küresel modellemede kendini göstermektedir. evrimin doğal süreçler. Modellerin mekanik hiyerarşileri dizisinin ve ampirik veri bankalarını biriktirme arzusunun, başarı umudu olmadan, açıklama olasılığı olmadan, biyosfer süreçlerinin gelişiminin bütünsel resmi hakkındaki ilkel akıl yürütme şemalarını yeniden canlandırma girişimi olduğu zaten açıktır. canlı sistemlerin kalıcı kendi kendini organize etme yeteneği ve Doğa-Toplum sisteminin işleyişi için iyi işleyen bir mekanizmanın anlaşılmasına yönelik önemli bir ilerleme olmadan. Durum öyle ki, evrimsel ve simülasyon modelleme yöntemlerini birleştiren bilgisayar teknolojilerinin kullanılması gerekiyor. Bu, simüle edilen süreçlerin yapısının iç dinamiklerini (evrimini) hesaba katmayı ve verilerin eksikliği ve kısmi güvenilirliği koşullarında modelleri uyarlanabilir bir şekilde sentezlemeyi mümkün kılacaktır.

Küresel bir model oluşturmaya yönelik geleneksel yaklaşımlar, birçok sosyo-ekonomik ve iklimsel süreci algoritmik olarak tanımlamada zorluklarla karşı karşıyadır ve bunun sonucunda bilgi belirsizliğiyle uğraşmak zorunda kalırlar. Gelişmiş küresel modelleme yaklaşımları bu belirsizliği göz ardı ederek, gerçek dünya süreçlerini yeterince yakalayamayan model yapılarına neden olur. Evrimsel ve simülasyon modellemenin bir arada kullanılması, yapısı biyosfer ve iklim bileşenleri kompleksinin tarihöncesine dayanan adaptasyona tabi olan birleşik bir modelin sentezlenmesiyle bu eksikliğin ortadan kaldırılmasını mümkün kılar. Ayrıca, modelin uygulanması, geleneksel bilgisayarlardaki yazılımlar ve özel evrimsel tip işlemciler kullanılarak farklı model sınıflarında da birleştirilebilir. Böyle bir kombinasyonun biçimi çeşitlidir ve küresel veritabanlarının uzay-zamansal bütünlüğüne bağlıdır.

Mevcut küresel modelleme deneyimi, bilimsel ve teknolojik ilerlemeyi ve insan faaliyetini çeşitli tezahürleriyle tanımlamanın yollarını bulmaya çalışırken aşılmaz zorlukların örnekleriyle doludur. Farklı zamansal değişkenlik oranlarına sahip süreçlerin üst üste binmesiyle karakterize edilen iklimi modellerken daha az zorluk ortaya çıkmaz. Küresel modeldeki tanımlamanın bütünlüğüne gelince, burada da bilgi kullanılabilirliğinin sınırlarını ve gerekli mekansal ve yapısal detayların sınırlarını net bir şekilde belirlemek imkansızdır. Bu nedenle, küresel sorunların doğal felsefi analizine girmeden ve küresel modelleme için kapsamlı bir tarif vermeye çalışmadan, özel bir işlemci uygulamasında evrimsel modellemenin yukarıda belirtilen zorlukların üstesinden gelmemize nasıl olanak sağladığını yansıtan olası yollardan yalnızca birini tartışacağız. üstünde.

Doğal ritimlerin tarihöncesine dayanan bir evrimsel model kurmak, geçmişte Doğa-Toplum sisteminin dinamiklerinin çeşitli kalıplarını örtülü olarak izleyen ve aynı zaman ritminde tahmin yapmayı mümkün kılan bir model elde etmemizi sağlar. Modelin özel işlemcili versiyonu, global modelin büyük boyutundan ve birçok parametrik belirsizliğin varlığından kaynaklanan tüm algoritmik ve hesaplama zorluklarını tamamen ortadan kaldırmaktadır.

2. İklim süreçlerinin modellenmesi

Doğa-Toplum sisteminin iklim bileşeni, çoğu istikrarsız olan çok sayıda geri bildirimle karakterize edildiğinden, küresel bir modelin sentezlenmesindeki en büyük zorluğu temsil etmektedir. Bunlar arasında buz albedo, su buharı radyasyonu, bulutlar radyasyonu, aerosol radyasyonu ve diğerleri yer alır.Dünyanın iklim sisteminin işleyişi, atmosferin durumu, okyanuslar, kriyosfer, karasal biyota ile kıta yüzeyleri, göller tarafından belirlenir. , nehirler, yeraltı suları ve çeşitli antropojenik yapılar. Bu nedenle, bir iklim modeli oluşturmak, birçok durumda oluşumundaki rolü yeterince araştırılmamış olan çok sayıda faktörün dikkate alınmasını gerektirir. Dünya'nın iklim sistemini matematiksel teknikler kullanarak kapsamlı bir şekilde tanımlamaya yönelik girişimler, henüz Devlet Tarih Müzesi'nde kullanılabilecek sonuçlar vermedi.

Küresel bir modeli sentezlemek için iki yaklaşım vardır. Yaklaşımlardan biri, biyosfer bileşenlerinin mevcut veya geliştirilmekte olan iklim modellerine dahil edilmesine dayanmaktadır. Diğer bir yaklaşım ise biyosfer bileşenlerinin iklim parametrelerine bağımlılığını simüle edecek bir biyosfer matematiksel modeli çerçevesinde bir blok geliştirmektir. İlk durumda, karşılık gelen diferansiyel denklem sistemlerinin çözümlerinin kararsızlığından kaynaklanan sorunlar ortaya çıkar ve bu da küresel çevresel değişikliklere ilişkin tahmin tahminlerinin elde edilmesini zorlaştırır. İkinci durumda, çevresel değişime ilişkin istikrarlı tahminler elde etmek mümkündür ancak bunların güvenilirliği, iklim ve biyosfer unsurları arasındaki korelasyonların parametrelendirilmesinin doğruluğuna bağlıdır. İkinci yaklaşımın avantajı, senaryo düzeyinde tanımlanabilen iklim modellerinin biyosferin matematiksel modeline bağlanmasına olanak sağlamasıdır. İklim modelleme ve değerlendirme konularının ayrıntılı analizi mevcut durum Marchuk ve Kondratiev (1992), Kondratiev (1999), Kondratiev ve Johannessen'in (1993) çalışmalarında bulunabilir. Doğa-Toplum sisteminin ikinci yaklaşıma karşılık gelen bireysel bileşenlerinin bir dizi modeli burada tartışılmaktadır. Bunlar arasında atmosferin genel dolaşımının modelleri, atmosfer ve okyanusun etkileşimi, iklim parametrelerinin Dünya yüzeyindeki sınır koşullarına duyarlılığı, biyojeokimyasal ve iklimsel süreçler arasındaki ilişki vb.

İklim sistemi sınırsız serbestlik derecesine sahip fiziksel-kimyasal-biyolojik bir sistemdir. Bu nedenle, böylesine karmaşık bir sistemi modellemeye yönelik herhangi bir girişim, aşılmaz zorluklarla ilişkilidir. Bu sistemdeki bireysel süreçlerin parametrik tanımlarının çeşitliliğini açıklayan da bu durumdur. Bir yıla kadar ayrıklaştırma zaman adımına sahip küresel bir model için, kabul edilebilir bir yaklaşım iki seçeneğin kullanılmasıdır: İlk seçenek, belirli bir bölgedeki iklim durumunun oluşumunun belirli süreçleri arasındaki korelasyonların birlikte uygulanmasından oluşur. iklim senaryoları ile İkinci seçenek, bölgesel ve zaman referanslarıyla birlikte iklim parametrelerine ilişkin veri serileri oluşturmanın temelini oluşturan ve mekansal dağılımlarının tam bir resmini yeniden oluşturmak için kullanılan küresel izleme verilerinin kullanımına dayanmaktadır. Yaygın korelasyon fonksiyonlarından biri varyasyon bağımlılığıdır ortalama sıcaklıkİçindeki CO 2 içeriğinden atmosferin DT g „'si:

25 mi? 1

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

burada o, atmosferdeki C a (t) modern CO 2 içeriğinin sanayi öncesi C a (1850) düzeyine oranıdır.

(1)'den Tg'nin atmosferik CO2 miktarının artan bir fonksiyonu olduğu açıktır. Atmosferdeki CO 2 miktarının %20 oranında artması, sıcaklığın 0,3 °C artmasına neden olur. Atmosferdeki CO2 miktarının iki katına çıkması Tg'de 1,3 °C artışa neden olur. Fonksiyon (1)'in ayrıntılı bir analizi ve DT g ve o'nun gözlemlenen eklem varyasyonlarının karşılaştırılması, model (1)'in kullanımının Doğa-Toplum modelinin iklim bloğunu basitleştirmemize izin verdiğini göstermektedir. Özellikle, (1)'e göre atmosferik CO2 konsantrasyonunu iki katına çıkarırken (DT g) 2[CO2]'yi hesaplarsak, o zaman tahmin etmek gerekir: modern trend DT g'yi değiştirirken aşağıdaki formülü kullanabilirsiniz:

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

kabul edilen tahminlere göre Ca'nın (1850) sanayi öncesi değeri = 270 ppm'dir.

Formül (2), halihazırda bilinen verilere yaklaşık %50'lik bir hatayla iyi bir şekilde yaklaşmaktadır. Aslında (2)'den Ca (1980) = 338 ppm'de DT g = 1,3 °K sonucu çıkarken, birçok yazar gerçek ısınmanın 0,6 °K olduğunu tahmin etmektedir.

Elbette devam ediyor son yıllar Büyümeyle ilgili sera etkisi tartışmaları kısmi basıncı CO 2 Dünya atmosferi Devlet Tarih Müzesi'ne yansıtılmalıdır. Formül (1) CO 2'nin etkisini dikkate alır Mintzer'e (1987) göre, diğer sera gazlarından sıcaklık etkisinin dikkate alınmasını genişletmek mümkündür:

DT mi? = DT CO 2 + DT N 2 0 + DT CH 4 + DT O 3 + DT C F C 11 + DT C F C 12, burada

DT CO 2 =- 0,677 +3,019lп [С а (t) / С а (t о)],

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

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

DT03 = 0,7/15,

DT C F C 11 = 0,14[СFC11(t)- СFC11(t 0)],

DT C F C 12 = 0,16 [СFC12(t) - СFC12(t 0)] .

t 0 değeri, sera gazı konsantrasyonlarının bilindiği kabul edilen 1980 yılı ile tanımlanır.

Ortalama sıcaklığın enlemsel dağılımını hesaplamak için basit formüller arasında dünyaya Sergin (1974) tarafından önerilen şemaları belirtebilirsiniz.

T(ts) = T g +g (sin 2 ts T - sin 2 ts) (3)

burada q, radyan cinsinden enlemdir, g, kutup ile ekvator arasındaki sıcaklık farkıdır, q T, T(t) = T g olduğu enlemdir. Yıl boyunca sıcaklıktaki enlemsel değişimler model tarafından tatmin edici bir şekilde açıklanmaktadır (Sergin, 1974):

Kuzey yarımküre için T e - 2ts(T e - T N)/p,

Güney yarımküre için T e - 2ts(T e - T S)/p,

Т N, min +2t(Т N, maks - Т N, min)/t Д,tЄ;

Т N, min +2(t Д - t) (Т N, maks - Т N, min)/ t Д,tЄ;

Т S, maks +2t(Т S, min - Т S, maks)/t Д,tЄ;

Т S, maks +2(t Д - t) (Т S, min - Т S, maks)/ t Д,tЄ;

Т N, min (Т S, min) ve Т N, maks (Т S, maks) minimum ve Maksimum sıcaklık sırasıyla kuzey (güney) kutbunda °C; t D - D ölçü birimi cinsinden yılın uzunluğu, T e - ekvatordaki atmosferik sıcaklık, °C; Birçok yazar bu tür tahminleri kullanıyor

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

Elbette bu tür bölgesel olarak ortalama sıcaklıkların önemli hatalara yol açan dağılımları vardır. Ana iklim parametresi olan sıcaklıktaki değişikliklerde çeşitli faktörlerin rolünü daha doğru bir şekilde yansıtabilmek için her faktörün katkısının ayrı ayrı hesaplanması gerekmektedir. Bu, geri bildirimin rolünün katkı olduğu varsayımına dayanarak yapılabilir:

DT a, final = DT a + DT a, geri bildirim

DT a, son = vDT a

b parametresi kazanç indeksi g ile ifade edilir: b = 1/(1-g). G'nin değeri albedo b'ye eşdeğerdir; Küresel ölçekte T a'nın bir fonksiyonudur. Bu bağımlılığın kaba bir tahmini aşağıdaki biçimde gösterilebilir:

T a'da buz mu? T buz,

b(T a) = b T a'da serbest mi? ücretsiz,

b serbest + b(T serbest - T) T buzda<Т а < Т free

Burada T buz ve T serbest, sırasıyla Dünya'nın tüm yüzeyinin buzla kaplandığı veya buzdan arındığı ortalama gezegen sıcaklıklarıdır; b, Dünya'nın albedosunun kritik durumları arasındaki geçiş katsayısıdır. Genellikle T i se Є °K kabul edilir.

Basit ve oldukça kaba iklim modellerinin kullanımı, geri bildirim yanıtının karakteristik zamanları dikkate alınarak geliştirilebilir. İklim alt sistemlerinin etkileşiminde dengenin kurulması için gereken süreye ilişkin bazı tahminler Tablo'da verilmiştir. 1. Doğa-Toplum sistemi içindeki tepki gecikmelerinin zaman aralığının çeşitli olduğu ve bir veya daha fazla iklim alt sistemindeki değişikliklerin sonuçlarını değerlendirirken bunun dikkate alınmasının gerekli olduğu açıktır. Özellikle Antarktika buz tabakasındaki soğuk rezervler o kadar büyüktür ki, sıcaklığının 0°C'ye çıkarılması için Dünya Okyanusu'nun ortalama sıcaklığının 2°C düşürülmesi gerekecektir. bunu T 0 = 5,7 °C durumundan T 0 = 3,7 °C durumuna aktarın. Tablodaki veriler dikkate alınarak. 1 Böyle bir operasyonun ataleti yüzlerce yıl olacaktır. Antropojenik nedenlerden dolayı gözlenen iklim ısınması oranında henüz bu kadar enerji maliyeti yoktur.

tablo 1

Bazıları için denge süreleri

Dünya iklim sisteminin alt sistemleri

Etki alanı iklim sistemi	Yerleşme zamanı Denge durumu
Atmosfer: özgür sınır tabakası
Dünya Okyanusu: karışık katman derin okyanus deniz buzu	günlerden 100 yıla kadar
Kıtalar göller ve nehirler toprak ve bitki oluşumları kar örtüsü ve yüzey buzu
Dağ buzulları
Buz tabakaları
Dünya'nın mantosu	30 Ma

İklim sistemi üzerindeki antropojenik etki mekanizması, sera gazı emisyonları ve arazi örtülerinin yeniden inşası, su döngüsüne müdahale ve atmosferik kirlilik nedeniyle albedodaki değişiklikler yoluyla kendini göstermektedir. Yarıçapı 10 -7 saat 10 -2 cm olan aerosol parçacıkları neredeyse tüm atmosferik yüksekliklerde bulunur. Antropojenik kökenli olmayan parçacıklar, kara veya okyanus yüzeyinden atmosfere girer ve ayrıca gazlar arasındaki kimyasal reaksiyonlar sonucu oluşur. Antropojenik kökenli parçacıklar esas olarak yakıtların yanması sonucu ortaya çıkar. Bu parçacık akışlarının atmosfere olan ilişkisine dair bir fikir Tablo'da verilmiştir. 2.

Tablo 2

Atmosfere yayılan veya atmosferde oluşan yarıçapı 20 mikrondan küçük parçacıkların akış tahminleri (Butcher, Charleson, 1977)

Parçacık türü	Parçacık sayısı, 10 6 t/yıl
Doğal kökenli parçacıklar (hava koşulları, erozyon vb.)
Orman yangınları ve orman atıklarının yakılmasından kaynaklanan parçacıklar
Deniz tuzu
Volkanik toz
Gazların salınması sırasında oluşan parçacıklar: doğal süreçler H2S'den sülfatlar HN 3'ten amonyum tuzları N0 x'ten nitratlar bitki bileşiklerinden antropojenik işlemlerden elde edilen hidrokarbonlar SO2'den sülfatlar NOx'ten nitratlar hidrokarbonatlar
Atmosfere yayılan toplam parçacıklar: doğal nedenlerden dolayı antropojenik nedenlerden dolayı
Atmosfere toplam parçacık akışı

Parçacıkların atmosferin sıcaklığı üzerindeki etkisinin mekanizması, Dünya'ya düşen, esas olarak 0,4-4 mikron aralığındaki güneş radyasyonunun kısmen yansıtılması ve onlar tarafından emilmesiyle açıklanmaktadır. Aynı zamanda, Dünya'nın yüzey-atmosfer sisteminin küresel albedosu da değişiyor. Ayrıca parçacıklar, onların katılımıyla bulut, yağmur ve kar oluşumu meydana geldiğinden atmosferdeki nem yoğunlaşma süreçlerini etkiler. Dünyanın yüzey-atmosfer sisteminin ısı dengesi denklemini kullanalım:

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

burada T S, sistem radyasyonunun ortalama etkin sıcaklığıdır, 400 mb yüzeye yakın ortalama enerji seviyesinin sıcaklığına yakındır, E 0 * = 0,487 cal cm -2 min -1 - gelen güneş radyasyonunun ortalama yoğunluğu yarım küre; b- albedo; y = 8,14-10 "" cal cm -2 dk -1 Stefan-Boltzmann sabiti, E a birim yüzey başına antropojenik enerji kaynaklarının toplam yoğunluğudur.

Albedo b = b 0 - Db olsun, burada b 0 = 0,35 modern koşullarda albedodur, Db, antropojenik aerosollerin etkisiyle belirlenen albedonun küçük bir kısmıdır. Denklem (4)'ten sıcaklık ifadesini elde ederiz:

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

db'yi varsayarsak<< 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 =[ E 0 * (1-b 0)/y] 1/4 (1+0,25 dB (1-b 0) -1 ) (6)

(6)'dan, çok güçlü olmayan antropojenik etkiler altındaki sıcaklığın, antropojenik faktörleri hesaba katmadan "Dünya yüzeyi - atmosfer" sistemindeki bağlantıları tanımlayan terimin ve T 1 ve T 2 terimlerinin toplamı olduğu sonucu çıkar: sırasıyla ısı ve aerosol emisyonlarının katkısı:

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

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

Modern koşullar altında T1 ilavesinin çok küçük olduğuna dikkat edin. E a = 4 · 10 - 5 cal cm -2 min -1 ve dolayısıyla E a / E 0 * = 8,21 -10 - 4 alırsak, o zaman T 1 = 0,0079°C olur. Dolayısıyla küresel enerjinin ortalama atmosfer sıcaklığı üzerindeki doğrudan etkisi şu anda önemsizdir. T 1 ifadesinden, ısı emisyonları nedeniyle atmosferik sıcaklığı 0,5 °C artırmak için, E a / E 0 * = 0,0052 koşulunun yerine getirilmesi gerektiği sonucu çıkar; bu, antropojenik ısı akışlarında bir artış anlamına gelir. çevreyi 63,4 kat artırdı. Bu, yılda 570 10 9 ton standart yakıt yakıldığında ortaya çıkan enerjiye eşdeğerdir.

Enerji üretiminin nüfusla orantılı olduğunu varsayarsak, T 1 = 96.046 k TG Gу S / E 0 *, burada G nüfus yoğunluğu, kişi/km 2'dir; y S - arazi alanı, km 2; k TG - kişi başına üretilen enerji miktarı, cal/min.

Aerosolün atmosferin termal rejimi üzerindeki etkisini ihmal edersek, doğrudan radyasyon E, onun değişimi dE ve atmosferik bulanıklık dB'deki değişim şu denklemle ilişkilendirilecektir: dE/E =k B dB, burada k B = 0,1154 km 2 / t orantı katsayısıdır, B - antropojenik kökenli aerosol miktarı, t/km 2. Bu denklemin integralini aldıktan sonra şunu elde ederiz: E=E 0 *(1-b 0)exp(-k B B). Öte yandan albedo tanımına göre E = E 0 *(1- b) = E 0 *(1- b 0 + db). Bu ifadeleri E için eşitleyerek Db = -(1-b 0) elde ederiz. Bu nedenle, atmosferin antropojenik aerosol kirliliği ile ilişkili sıcaklık değişimi şuna eşittir:

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

Birçok yazara göre antropojenik kökenli aerosollerin ortalama emisyonu 300 10 6 ton/yıl olduğundan ve aerosollerin atmosferde ortalama kalış süresi 3 hafta olarak tahmin edildiğinden, ortalama 17.262 10 6 ton parçacık bulunmaktadır. atmosferde. T2 formülünden bu durumda atmosfer sıcaklığının yılda 0,84 °C azalması gerektiği sonucu çıkar.

Birçok yazar, b göstergesi yerine, atmosferik bulanıklık faktörünü B T dikkate alır ve bunu, gerçek bir atmosferdeki güneş radyasyonu enerjisinin zayıflama katsayısı b r'nin ideal bir atmosferdeki zayıflama katsayısı b I'ye oranı olarak tanımlar:

B T = b r / b I = (b I + b W - b A)/ b I, burada b W ve b A sırasıyla su buharı ve aerosollerin zayıflama katsayılarıdır. Devlet Tarih Müzesi aşağıdaki değerlendirmeleri kabul etmektedir:

3 orta enlemlerde,

BT = 3,5 tropik enlemlerde,

2 azaltılmış toz ve su buharı içeriği ile.

Dünya iklimini modelleme deneyimi, birçok yazarın iklim sisteminin tüm olası geri bildirimlerini ve unsurlarını olabildiğince doğru ve eksiksiz bir şekilde hesaba katma arzusunun, çözümü büyük miktarda veri gerektiren karmaşık matematik problemlerine yol açtığını göstermektedir. ve çoğu durumda ilgili denklemlerin çözümlerinin kararsız olduğu ortaya çıkar. Bu nedenle, bu tür karmaşık modellerin KPO sisteminin küresel modelinin bir bloğu olarak kullanılması kaçınılmaz olarak olumsuz bir sonuca yol açmaktadır; etkili bir model sentezlemenin imkansızlığı. En umut verici yaklaşım kesinlikle iklim modellerini küresel izleme verileriyle birleştirmektir. Bu kombinasyonun şeması çok basittir. İklim oluşturan süreçlerin izlenmesine yönelik mevcut yer tabanlı ve uydu sistemleri, dünya yüzeyindeki hücrelerin (Шij) belirli bir bölümünü kapsıyor. Bu hücrelerin üzerinde sıcaklık, bulutluluk, su buharı içeriği, aerosoller ve gazlar, albedo ve diğer birçok enerji akışı parametresi ölçülür. Basit iklim modellerinin yanı sıra uzay-zamansal enterpolasyon yöntemlerinin kullanılması, bu ölçümlere dayanarak, Shch bölgesinin tamamı boyunca iklim parametrelerinin dağılımının tam bir resmini yeniden yapılandırmayı mümkün kılar.

Toplumsal boyut, toplum ve doğa arasındaki ilişkide uyum sorunlarıyla etkileşim alanına girmiştir. Biyosferin kaderi, Dünya nüfusunun çevreye yönelik "makul" ve "mantıksız" tutumlar arasında en uygun dengeyi bulma sorununu nasıl hızla çözeceğine bağlı olacaktır. Üstelik model tahminlerinin de gösterdiği gibi, tüm insanlığın %90'ının bunu kabul etmesi gerekiyor. Ancak tarihin bu aşamasında nüfusun böyle bir kısmının bilinçli olarak, ahlaki ilkelerine göre, acısız ve gönüllü olarak doğayı fethetme konumundan doğa ile toplum arasında yeni uyumlu ilişkiler geliştirme konumuna geçme yeteneğine sahip olması pek olası değildir. Küresel uyumu sağlamak için, çevresel bilginin pratiğe aktarılmasını sağlayacak şekilde olumsuz çevresel ve sosyo-ekonomik değişikliklere dikkat çekmek gerekir; çevresel faaliyetler alanında yüksek kalitede karar almayı sağlayan spesifik teknolojiler şeklinde yapıcı uygulamalar aşamasına getirilmesi gerekmektedir.

Edebiyat

1.V.F. Krapivin, K.Ya. Kondratiev. “Küresel çevresel değişiklikler: eko-enformatik.”-St. Petersburg, 2002

2. http://climate2008.igce.ru/v2008/htm/1.htm-İKLİM DEĞİŞİKLİKLERİ VE RUSYA FEDERASYONU BÖLGESİNDEKİ SONUÇLARI HAKKINDA DEĞERLENDİRME RAPORU

Benzer belgeler

İklim dalgalanmaları ve küresel sıcaklık endekslerini Dünya'nın dönüşündeki dalgalanmalarla karşılaştırma özelliklerine aşinalık. ENSO fenomeni, ekvator Pasifik Okyanusu'nda düzenli olarak gözlemlenen, okyanus-atmosfer sisteminin ana salınım modudur.

tez, 26.08.2017 eklendi


Çevresel sistem ve süreçlerin modellenmesi sürecinin metodolojik ve teorik temelleri. Elodea örneğini kullanarak yüzey aktif maddelerin su bitkileri üzerindeki etkisinin incelenmesi. Sentetik deterjan bileşenlerinin karşılaştırmalı analizi.

kurs çalışması, eklendi 01/23/2013


Modellemenin genel ilkeleri ve görevleri. Yırtıcı-av modelinin genel konsepti. İki tür rekabet. Katmanlı mozaik orman konsepti, boşluk modelleme. Doğu Sibirya'nın kuzey orman ekosisteminin matematiksel modeli. Ekolojide modelleme sorunları.

kurs çalışması, eklendi 12/03/2012


Topraklarda meydana gelen süreçlerin matematiksel modellerinin önemi. Toprakların termal ve sıcaklık rejimlerinin matematiksel modeli, toprakların su rejimi. Humus birikim süreçleri modelinin özellikleri ve tarımsal ekosistemlerin verimliliğini modellemenin özellikleri.

kurs çalışması, eklendi 31.05.2012


Ekolojide matematiksel modelleme. "Yırtıcı-Av" türünün türler arası etkileşimi. İlişkilerin bilgisayarla modellenmesi. Denklem sisteminin durağan noktaları. İzoklinik yöntemi kullanarak faz yörüngelerinin oluşturulması. Problemin sayısal modellemesi.

özet, 12/09/2012 eklendi


Doğal-teknolojik komplekslerde modelleme işlemlerinin özellikleri. Ağır metallerin ve hafif petrol ürünlerinin hareketinin modeli. Doğal-teknolojik komplekslerin işleyişinin tahmin edilmesi. Islah sistemlerinde yeraltı suyunun mineralizasyonu.

Özet, 01/07/2014 eklendi


Permafrost bölgesi, özellikleri. Küresel iklim değişikliğinin dinamikleri ve sonuçları; belirsizlik değerlendirmesi. Altyapı için jeokriyolojik risklerin tahmin edilmesi. Permafrost bozulması sırasında metan emisyonlarının etkisi.

özet, 11/07/2014 eklendi


Ozonun genel özellikleri ve oluşumuna eşlik eden süreçler. Ozonun iklim sisteminin işleyişindeki önemi, rakımla dağılımı. Atmosfer dolaşımının ozonosferin dinamikleri üzerindeki etkisi, yıkımın nedenleri ve sonuçları.

kurs çalışması, eklendi 05/10/2011


Çevre sorunlarının çözümüne yönelik sistematik bir yaklaşım kavramı. Çevresel model ve süreçlerin simülasyon modellemesi. Toprak kirliliğini belirlemek ve toprak özelliklerini ölçmek için aletler. Ekspres toksisite analizi için cihaz "Biotox-10M".

kurs çalışması, eklendi 06/24/2010


Spa yöntemini kullanarak Grönland'da geçmiş dönemlerdeki iklim durumunun (ısınma ve soğuma) incelenmesi. Kuzey Atlantik'teki derin deniz sondaj istasyonunun konumu. Holosen'de Batı Sibirya'nın iklim ve manzara durumunun incelenmesi.

Geçtiğimiz yüzyılın sonlarından bu yana iklim değişikliğine olan ilgide belirgin bir artış yaşandı. Bunun nedeni doğadaki değişimlerin artmasıdır ve bu zaten sokaktaki sıradan insan düzeyinde de ortadadır. Bu değişikliklerin ne kadarı doğal süreçlerden kaynaklanıyor ve ne kadarı insan faaliyetleriyle ilgili? Bugün, Rusya Bilimler Akademisi Hesaplamalı Matematik Enstitüsü'nün önde gelen araştırmacıları olan uzmanlarla yapacağımız bir konuşma, bunu anlamamıza yardımcı olacak. Bugün konuştuğumuz Evgeniy Volodin ve Nikolai Diansky, enstitüde iklim modellemesi yapıyor ve Uluslararası İklim Değişikliği Uzmanları Grubunun Rus katılımcıları ( Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli,IPCC).

— Çalışmalara küresel iklim değişikliğine ilişkin hangi gerçekler yansıtılıyor ve dördüncü değerlendirme raporuna dahil ediliyor?

“Gündelik düzeyde bile hepimiz küresel ısınmanın sonuçlarını hissediyoruz; örneğin kışlar daha sıcak hale geldi. Bilimsel verilere dönersek, son 12 yılın 11'inin, küresel sıcaklığın (1850'den bu yana) aletli gözlemlerinin yapıldığı dönem boyunca en sıcak olduğunu da gösteriyorlar. Geçtiğimiz yüzyılda, ortalama küresel hava sıcaklığındaki değişim 0,74°C oldu; son 50 yıldaki doğrusal sıcaklık eğilimi, bu yüzyıla karşılık gelen değerin neredeyse iki katı oldu. Rusya'dan bahsedecek olursak, son 20 yılda ülkemizin büyük bölümünde kış ayları, önceki yirmi yılın kış aylarına göre ortalama 1-3 derece daha sıcak geçti.

İklim değişikliği sadece sıcaklıkların artması anlamına gelmiyor. Köklü bir terim olan “küresel iklim değişikliği”, tüm jeosistemlerin yeniden yapılandırılmasını ifade etmektedir. Ve ısınma değişimin yalnızca bir yönü olarak görülüyor. Gözlemsel veriler, Dünya Okyanusu seviyesinde bir artışa, buzulların ve permafrostun erimesine, yağış eşitsizliğinin artmasına, nehir akış rejimlerindeki değişikliklere ve iklim istikrarsızlığıyla ilişkili diğer küresel değişikliklere işaret ediyor.

Yalnızca ortalama iklim özelliklerinde değil, iklim değişkenliği ve aşırı uçlarda da önemli değişiklikler meydana geldi. Paleoiklim verileri, en azından son 1300 yıldır devam eden iklim değişikliklerinin olağandışı doğasını doğrulamaktadır.

— Bilimsel iklim tahmini nasıl yapılır? İklim modelleri nasıl oluşturulur?

— Modern klimatolojinin en önemli görevlerinden biri gelecek yüzyıllardaki iklim değişikliğini tahmin etme görevidir. İklim sisteminde meydana gelen süreçlerin karmaşık doğası, ileriye dönük tahminler elde etmek için geçmiş eğilimlerin tahmin edilmesinin veya istatistiksel ve diğer tamamen ampirik yöntemlerin kullanılmasına izin vermez. Bu tür tahminlerin elde edilebilmesi için karmaşık iklim modellerinin oluşturulması gerekmektedir. Bu tür modellerde uzmanlar, hava ve iklimi etkileyen tüm süreçleri en eksiksiz ve doğru şekilde dikkate almaya çalışır. Ayrıca, her modelin kendine has özellikleri olduğundan, birden fazla farklı modelin kullanılması durumunda tahminlerin objektifliği artar. Bu nedenle, IPCC tarafından önerilen senaryolar kapsamında çeşitli iklim modelleri kullanılarak elde edilen iklim değişikliği projeksiyonlarını, sera gazları, aerosoller ve atmosferdeki diğer kirleticilerin içeriğinde gelecekte meydana gelebilecek olası değişiklikleri karşılaştırmak için uluslararası bir program halihazırda yürütülmektedir. Rusya Bilimler Akademisi Hesaplamalı Matematik Enstitüsü (INM RAS) bu programa katılmaktadır. Toplamda, bu tür modelleri oluşturmak için gerekli bilim alanlarının yeterli gelişme gösterdiği farklı ülkelerden yaklaşık iki düzine modeli kapsamaktadır: ABD, Almanya, Fransa, İngiltere, Rusya, Avustralya, Kanada, Çin...

Dünya iklim modelinin ana bileşenleri, birleşik modeller olarak adlandırılan atmosfer ve okyanusun genel dolaşım modelleridir. Aynı zamanda atmosfer, iklim değişikliğinin ana “üreticisi” görevini üstleniyor ve okyanuslar da bu değişikliklerin ana “biriktiricisi”. INM RAS'ta oluşturulan iklim modeli, atmosferin ve Dünya Okyanusunun büyük ölçekli dolaşımını, gözlemsel verilerle iyi bir uyum içinde ve modern iklim modellerinden daha düşük olmayan bir kalitede yeniden üretiyor. Bu, esas olarak, atmosfer ve okyanusun genel dolaşım modellerini oluştururken ve kurarken, bu modellerin (otonom modda) atmosferin ve okyanusun iklim koşullarını oldukça iyi bir şekilde yeniden üretmesini sağlamanın mümkün olması nedeniyle elde edilmiştir. Üstelik gelecekteki iklim değişikliklerini tahmin etmeye başlamadan önce iklim modelimiz de diğerleri gibi 19. yüzyılın sonundan günümüze kadar geçmiş iklim değişikliklerini yeniden üreterek doğrulandı (başka bir deyişle test edildi).

— Peki simülasyonun sonuçları nelerdir?

— IPCC senaryolarını kullanarak çeşitli deneyler yaptık. Bunlardan en önemlileri üç: nispeten kötümser bir senaryo (A2), insan topluluğunun çevreye dikkat etmeden gelişeceği, ılımlı bir senaryo (A1B), Kyoto Protokolü gibi kısıtlamaların getirileceği, ve iyimser olanı (B1) - insan kaynaklı etki konusunda daha güçlü kısıtlamalar içeren. Üstelik her üç senaryoda da yakıt yanma hacminin (ve dolayısıyla atmosfere karbon emisyonlarının) az çok hızlı bir şekilde artacağı varsayılmaktadır.

Kötümser, “en sıcak” senaryoya göre 2151-2200 yıllarında yüzeydeki ortalama ısınma. 1951-2000 ile karşılaştırıldığında yaklaşık 5 derece olacak. Daha ılımlı bir gelişme ile yaklaşık 3 derece olacaktır.

Kuzey Kutbu'nda da önemli iklim ısınması yaşanacak. Daha iyimser bir senaryoya göre bile 21. yüzyılın ikinci yarısında Kuzey Kutbu'ndaki sıcaklıklar 20. yüzyılın ikinci yarısına göre yaklaşık 10 derece artacak. 100 yıldan daha kısa bir süre içinde kutup deniz buzunun yalnızca kışın varlığını sürdürmesi ve yazın erimesi mümkün.

Aynı zamanda bizim ve diğer modellerimize göre önümüzdeki yüzyılda deniz seviyesinde yoğun bir yükseliş görülmeyecek. Gerçek şu ki, Antarktika ve Grönland'daki kıta buzunun erimesi, ısınmayla birlikte yağışların artmasıyla bağlantılı olarak bu bölgelerdeki kar yağışındaki artışla büyük ölçüde telafi edilecek. Deniz seviyesinin yükselmesine asıl katkı, artan sıcaklıklarla birlikte suyun genişlemesinden gelmelidir.

İklim değişikliğini tahmin etmeye yönelik INM RAS iklim sistemi modeliyle yapılan deneylerin sonuçları, diğer yabancı modellerin sonuçlarıyla birlikte, A. Gore ile ortaklaşa 2007 yılında Nobel Barış Ödülü'ne layık görülen IPCC raporuna dahil edildi.

Dördüncü IPCC raporunda bugüne kadar Rusya'dan yalnızca ICM iklim modeli kullanılarak elde edilen sonuçların sunulduğunu belirtmek gerekir.

— Avrupa'da havanın Atlantik'te doğduğunu söylüyorlar - bu gerçekten doğru mu?

— Kuzey Atlantik üzerinde meydana gelen hava olaylarının Avrupa üzerinde kesinlikle güçlü bir etkisi vardır. Bunun nedeni, Dünya yüzeyinden 15-20 km'ye kadar ılıman enlemlerde rüzgarın esas olarak batıdan doğuya esmesidir, yani. hava kütleleri Avrupa'ya çoğunlukla batıdan, Atlantik'ten gelir. Ancak bu her zaman gerçekleşmez ve genel olarak Avrupa havasının tamamen oluştuğu herhangi bir yeri ayırmak imkansızdır.

Büyük ölçekli bir olgu olarak Avrupa'da hava durumu, Kuzey Yarımküre'deki atmosferin genel durumuna göre şekillenmektedir. Doğal olarak Atlantik bu süreçte önemli bir yer tutuyor. Ancak burada daha önemli olan, Kuzey Atlantik'teki okyanus dolaşım süreçlerinin içsel değişkenliği (yıllık döngüden sapma) değil, çok daha değişken bir ortam olan atmosferin Kuzey Atlantik'i bir enerji deposu olarak kullanmasıdır. kendi değişkenliğinin oluşumu için.

Burada iklim tahmini ve modellemesinden hava durumu tahmini ve modellemesine geçiyoruz. Bu iki sorunu ayırmamız gerekiyor. Prensip olarak, her iki görev için de atmosferin dinamiklerini tanımlayan yaklaşık olarak aynı modeller kullanılır. Aradaki fark, modelin başlangıç ​​koşullarının hava tahmini için çok önemli olmasıdır. Bunların kalitesi büyük ölçüde tahminin kalitesini belirler.

Birkaç on yıldan birkaç yüzyıla ve bin yıla kadar bir dönem için iklim değişikliğini modellerken, ilk veriler o kadar önemli bir rol oynamaz ve iklim değişikliğinin neden olduğu atmosferle ilgili dış etkilerin dikkate alınmasıyla önemli bir rol oynanır. meydana gelmek. Bu tür etkiler, sera gazlarının konsantrasyonundaki bir değişiklik, volkanik aerosollerin atmosfere salınması, dünyanın yörünge parametrelerindeki değişiklikler vb. olabilir. Enstitümüz, Roshidromet için bu modellerden birini geliştiriyor.

— Rusya'daki iklim değişikliği hakkında ne söylenebilir? Özellikle neye dikkat etmelisiniz?

— Genel olarak, ısınmanın bir sonucu olarak, Rusya'nın orta kesimindeki iklim bir dereceye kadar iyileşecek, ancak Rusya'nın güneyinde artan kuraklık nedeniyle daha da kötüleşecek. Önemli alanları kaplayan permafrostun erimesi büyük bir sorun ortaya çıkaracak.

Rusya'da herhangi bir senaryoya göre ısınma hesaplanırken sıcaklık, diğer modellerden elde edilen verilerle de doğrulanan Dünya ortalamasının yaklaşık iki katı kadar hızlı artacaktır. Ayrıca modelimize göre Rusya kışın yaza göre daha sıcak olacak. Örneğin Rusya'da ortalama 3 derece küresel ısınma yaşanırken, ısınma yılda ortalama 4-7 derece olacak. Aynı zamanda yazın 3-4 derece, kışın ise 5-10 derece ısınacak. Rusya'da kışın ısınma, diğer şeylerin yanı sıra, atmosferik dolaşımın biraz değişmesinden kaynaklanacak. Batıdan gelen rüzgarların yoğunlaşması daha sıcak Atlantik hava kütlelerini beraberinde getirecek.

— IPCC'nin ve özellikle yerli bilim adamlarının iklim değişikliğine antropojenik katkı konusunda vardığı sonuç nedir?

— Tarihsel deneyim, doğaya yapılan hiçbir müdahalenin cezasız kalmadığını göstermektedir.

IPCC raporu, son yıllarda gözlemlenen ısınmanın esas olarak insan etkisinin bir sonucu olduğunu ve yalnızca doğal nedenlerle açıklanamayacağını vurguluyor. Antropojenik faktör, güneş aktivitesindeki dalgalanmaların etkisinden en az beş kat daha fazladır. Gözlemsel verilerin analizinin en son sonuçlarına dayanan bu sonuçların güvenilirlik derecesi çok yüksek olarak değerlendirilmektedir.

Modelleme sonuçlarımız aynı zamanda antropojenik katkının baskın rolünü de ikna edici bir şekilde göstermektedir. İklim modelleri, insan faaliyetlerinden kaynaklanan sera gazı ve diğer gaz emisyonlarını hesaba katarsa ​​gözlemlenen ısınmayı iyi bir şekilde yeniden üretir, ancak yalnızca doğal faktörler dikkate alınırsa ısınmayı yeniden üretemez. Başka bir deyişle, model deneyleri, insan “katkısı” olmasaydı iklimin bugünkü kadar değişmeyeceğini gösteriyor.

Modern iklim modellerinin aynı zamanda CO 2 konsantrasyonunun hesaplanmasını da içerdiğini açıklayalım. Bu tür modeller, iklim sistemindeki CO2 konsantrasyonlarındaki yüzyıllar veya daha kısa zaman ölçeklerinde doğal dalgalanmaların yüzde birkaçı aşmadığını göstermektedir. Mevcut rekonstrüksiyonlar da bunu gösteriyor. Sanayi öncesi çağın son birkaç bin yılı boyunca atmosferik CO2 konsantrasyonları 270 ila 285 ppm (milyonda parça) arasında değişen sabit bir seviyedeydi. Şimdi yaklaşık 385 ppm'dir. Modellerle yapılan hesaplamalar ve ölçüm verilerinden elde edilen tahminler, iklim sisteminin tam tersine CO2 emisyonlarını telafi etme eğiliminde olduğunu ve tüm emisyonların yalnızca yaklaşık yarısının veya biraz daha fazlasının atmosferdeki CO2 konsantrasyonunu artırmaya gittiğini göstermektedir. atmosfer. Geriye kalan yarısı ise okyanuslarda çözünerek bitkilerin ve toprağın karbon kütlesini arttırmak için kullanılıyor.

— İklim projeksiyonlarının nasıl gelişeceğini düşünüyorsunuz?

— İklim sistemi çok karmaşık ve insanlığın güvenilir bir tahmine ihtiyacı var. Bugüne kadar geliştirilen tüm modellerin dezavantajları vardır. Uluslararası bilim topluluğu yaklaşık iki düzine mevcut model arasından en başarılı olanı seçmiş ve bunları karşılaştırarak genelleştirilmiş bir tahmin üretmiştir. Bu durumda çeşitli modellerdeki hataların telafi edildiğine inanılmaktadır.

Modellik göz korkutucu bir görev ve çok fazla iş. Hesaplamalar, taşıma süreçlerini ve atmosfer ile okyanus arasındaki etkileşimi hesaba katan birçok parametreyi içeriyor. Şimdi enstitümüz modelin yeni bir versiyonunu yapıyor. Örneğin, direğin yakınında, meridyenlerin yakınlaşması nedeniyle boylam boyunca adımların rafine edildiği ve model çözümünde haksız "gürültüye" yol açan bir sorun var. Yeni model, atmosferik ve okyanus modellerinde daha yüksek uzaysal çözünürlük ve fiziksel süreçlerin daha gelişmiş parametrelendirilmesini kullanacak. Bu sayede modellemenin doğruluğu artacak ve bu yeni seviye modeli kullanılarak yeni bir tahmin yapılabilecektir.

Bazı nedenlerden dolayı ülkemizde modelleme problemlerine, önemli finansal ve bilimsel kaynakların özellikle atmosferik ve okyanus dolaşımının sayısal modellerini oluşturma görevine tahsis edildiği Batı'ya göre çok daha az önem verilmektedir. Bu görevler, yüksek performanslı çok işlemcili bilgi işlem sistemleri gerektirir (iklim tahmini için kullanılan IVM süper bilgisayarı, BDT ülkeleri arasında TOP-50 sıralamasında yer almaktadır). Çalışmamız yalnızca Rusya Bilimler Akademisi'nin bazı programları ve Rusya Temel Araştırma Vakfı'nın projeleri tarafından desteklendi.

IPCC programı kapsamında birleşik modellerle yapılan deneylerin yeni bir aşaması yakın gelecekte başlayacak. Bu aşama, daha yüksek mekansal çözünürlüğe sahip ve daha geniş yelpazede simüle edilmiş fiziksel süreçlerin dahil edildiği güncellenmiş Dünya iklim modellerini içerecektir. İklim modelleri yavaş yavaş yalnızca atmosferik ve okyanus dinamiklerini hesaplamakla kalmayıp aynı zamanda atmosfer kimyası, bitki örtüsü, toprak, deniz kimyası ve biyolojisi ile iklimi etkileyen diğer süreç ve olguların ayrıntılı alt modellerini de içeren tüm Dünya sistemi modellerine dönüşmektedir.

giriiş

Modern iklim teorisinin temel sorunu, antropojenik faaliyetlerin neden olduğu iklim değişikliklerini tahmin etme sorunudur. Aşağıda tartışılacak olan iklim sisteminin kendine özgü özellikleri nedeniyle bu sorun, doğa bilimlerinde defalarca test edilen geleneksel yöntemlerle çözülememektedir. Bu sorunu çözmenin ana metodolojik temelinin şu anda atmosferin ve okyanusun genel dolaşımının küresel modellerine dayanan küresel iklim modelleri kullanılarak iklim sisteminin sayısal modellenmesi olduğu söylenebilir. Doğal olarak, iklim modellerinin formülasyonu, sonuçlarının analizi, iklim sisteminin dinamiklerini belirleyen belirli fiziksel süreçlerin giderek daha doğru modellerini formüle etmemize olanak tanıyan tam ölçekli deneylerin yapılmasını gerektirir. Bununla birlikte, bu tür deneyler asıl sorunu çözmez - gerçek iklim sisteminin küçük dış etkilere karşı duyarlılığının belirlenmesi.

İklim sistemi ve iklim

İklim, belirli bir alan için en sık tekrarlanan hava durumu modellerini ifade eder ve tipik bir sıcaklık, nem ve atmosferik dolaşım rejimi oluşturur. Aynı zamanda “tipik”, bir nesil boyunca neredeyse hiç değişmeden kalan özellikleri ifade eder; yaklaşık 30-40 yıl. Bu özellikler yalnızca ortalama değerleri değil aynı zamanda örneğin sıcaklık dalgalanmalarının genliği gibi değişkenlik göstergelerini de içerir. Bu kadar uzun vadeli süreçlerle uğraşırken herhangi bir bölgenin iklimini ayrı ayrı düşünmek mümkün değildir. Isı değişimi ve hava dolaşımı nedeniyle tüm gezegen oluşumunda rol alır. Bu nedenle Dünya gezegeninin iklimi kavramını kullanmak doğaldır.Tek tek bölgelerin iklim özellikleri, belirli bir durumda genel kalıpların bir yansımasıdır. Yani yerel iklimlerden oluşan küresel iklim değil, yerel iklimler küresel iklim tarafından belirleniyor. Ve iklim değişikliği değil, hava durumu yalnızca atmosferde ve aynı zamanda diğer jeosferlerde meydana gelen olaylar tarafından belirlenir. Atmosfer yalnızca okyanustan, bitki örtüsünden, kar ve buz örtüsünden, topraktan ve diğer insan faaliyetlerinden etkilenmez, aynı zamanda etkilenir. Dolayısıyla iklim sistemi, atmosferin yanı sıra, atmosferi etkileyen ve ona bağlı olan coğrafi zarfın diğer unsurlarının süreçlerini ve özelliklerini de içerir. Dış olaylar, iç olayların aksine atmosferi etkiler, ancak ona bağlı değildir. Bu, örneğin uzaydan gelen radyasyondur.

Fiziksel bir nesne olarak iklim sisteminin özellikleri

Fiziksel bir nesne olarak iklim sisteminin bir takım spesifik özellikleri vardır.

1. Sistemin ana bileşenleri - atmosfer ve okyanus - geometrik açıdan ince filmler olarak düşünülebilir, çünkü dikey ölçeğin yatay ölçeğe oranı 0,01 - 0,001 düzeyindedir. Dolayısıyla sistem yarı iki boyutludur, ancak dikey yoğunluk katmanlaşması çok önemlidir ve baroklinik enerji dönüşümlerinden büyük ölçekli dikey hareketler sorumludur. Enerji açısından önemli fiziksel süreçlerin karakteristik zaman ölçekleri 1 saatten onlarca ve yüzlerce yıla kadar değişir. Bütün bunlar, böyle bir sistemin laboratuvar modellemesinin, en hafif deyimle, son derece zor olduğu gerçeğine yol açmaktadır.

2. İklim sistemi ile hedefe yönelik bir fiziksel deney yapmak imkansızdır. Aslında iklim sistemini örneğin karbondioksitle pompalayıp diğer koşulları eşit tutarak ortaya çıkan etkiyi ölçemeyiz.

3. Elimizde yalnızca kısa dizi gözlemsel veriler var ve o zaman bile yalnızca iklim sisteminin bireysel bileşenleri hakkında. Elbette iklim sisteminin dikkate alınması gereken birçok başka önemli özelliği vardır, ancak yukarıda sıralananlar bile iklim sistemini çalışmanın ana yolunun matematiksel modelleme olduğu sonucuna varmamızı sağlar. Son yıllardaki deneyimler, iklim teorisinin ana sonuçlarının, küresel iklim modellerinin inşası ve kullanımına dayanarak elde edildiğini göstermektedir.

İklim sisteminin matematiksel modelleri

Bu bölümde modern iklim modellerinin inşasının dayandığı temel ilkeleri kısaca tartışacağız. Modern iklim modelleri, atmosferin ve okyanusun genel dolaşımının modern bir modeline dayanan modellerdir ve bunların gelişiminin merkezi yönü, iklimin oluşumunda yer alan tüm fiziksel süreçlerin giderek daha doğru bir şekilde tanımlanmasıdır. Modern iklim modellerinin inşası bir takım ilkelere dayanmaktadır. Klasik denge termodinamiği denklemlerinin yerel olarak geçerli olduğu varsayılmaktadır. Ayrıca sıkıştırılabilir bir akışkan için Navier-Stokes denklemlerinin atmosfer ve okyanus dinamiklerini tanımlamak için geçerli olduğu varsayılmaktadır. Modern modellerde, esas olarak hesaplama yetenekleri nedeniyle, Reynolds denklemleri (belirli uzaysal ve zamansal ölçeklerde ortalaması alınan Navier-Stokes denklemleri) kullanıldığından, bunların kapanmasının temel bir olasılığının olduğuna inanılmaktadır. Kapatma prosedürü, alt şebeke ölçeğindeki süreçlerin (ortalama ölçekten daha küçük ölçekler) etkilerinin, büyük ölçekli süreçlerin özellikleri aracılığıyla ifade edilebileceğini varsayar. Bu süreçler şunları içerir:

1) radyasyonun transferi (kısa dalga ve uzun dalga radyasyonu);

2) nemin faz geçişleri ve yerel sedimantasyon süreci;

3) konveksiyon;

4) sınır ve iç türbülanslı katmanlar (bu katmanların bazı özellikleri açıkça açıklanmıştır);

5) küçük ölçekli orografi;

6) dalga sürüklenmesi (küçük ölçekli yerçekimi dalgalarının ana akışla etkileşimi);

7) küçük ölçekli dağılım ve yayılma;

8) aktif arazi katmanındaki küçük ölçekli süreçler.

Son olarak, büyük ölçekli atmosferik ve okyanus hareketlerini tanımlamak için hidrostatik yaklaşım geçerlidir: dikey basınç gradyanı yerçekimi ile dengelenir. Böyle bir yaklaşımın kullanılması, ek basitleştirmeler gerektirir (Dünyanın sabit yarıçapı, Coriolis kuvvetinin bileşenlerinin hızın dikey bileşeni ile ihmal edilmesi), böylece enerjinin korunumu yasasının, denklem sisteminde, yokluğunda karşılanması sağlanır. Dış enerji kaynakları ve dağılım. Atmosfer ve okyanusun hidrotermodinamik denklemleri, alt şebeke ölçekli süreçlerin kapatılması ve sınır koşulları.

I. Ne kadar büyük olursa olsun herhangi bir t zaman aralığı için küresel çözülebilirlik teoremi.

Ne yazık ki, "doğru" sınır koşullarına sahip bir küresel koordinat sisteminde şu anda böyle bir teorem yoktur ve bu, üç boyutlu Navier-Stokes denklemleri için bu tür teoremlerin bulunmamasının bir sonucu değildir. Modern iklim modellerinin denklemleri, üçüncü hareket denkleminin tamamı yerine hidrostatik denklem kullanıldığı için “2,5” boyutuna sahiptir.

II. Küresel bir çekicinin varlığı.

Bu ifade, S'nin kesinlikle pozitif tanımlı bir operatör olması koşuluyla kanıtlanmıştır:

(Sϕ ϕ) ≥ µ(ϕ,ϕ), µ >0

Sorun şu ki, sıkıştırılabilir bir akışkan için süreklilik denklemi enerji tüketen olmadığından, genel durumda bu yazılamamaktadır.

III. Çekici boyut.

Bu sınıftaki modeller için çekicilerin boyutuna ilişkin yapıcı tahminler oldukça kabadır. Genel anlamda önceki bölümde tartışılan teoriye uygun olmayan üst sınırları temsil ederler.

UKRAYNA EĞİTİM VE BİLİM BAKANLIĞI

ODESSA DEVLET EKOLOJİ ÜNİVERSİTESİ

OGECU öğrenci bilimsel konferansında

“İklim modellerinin fiziksel yöntemlerle analizi”

Yemek kaşığı yapıldı. VB-11

Smokova V.D.

Bilimsel danışman: Teknik Bilimler Doktoru

Romanova R.I.

Odessa-2015

Kaynakça:

http://umeda.ru/concept_climate

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

Volodin E.M., Diansky N.A. Birleşik bir atmosferik-okyanus genel dolaşım modelinin artan karbondioksit seviyelerine tepkisi.

Volodin E.M., Diansky N.A. Birleşik atmosfer-okyanus genel dolaşım modeli kullanılarak 20. ve 22. yüzyıllardaki iklim değişikliğinin simülasyonu.

Gritsun A.S., Dymnikov V.P. Barotropik atmosferin küçük dış etkilere tepkisi. Teorik ve sayısal deneyler.

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. .AND. İklim ve değişimlerinin modellenmesi. – İçinde: “Hesaplamalı matematik ve matematiksel modellemenin modern problemleri”,

Karmaşık iklim sisteminin daha iyi anlaşılmasını sağlamak için bilgisayar programlarının iklim bileşenlerinin etkileşim modelini tanımlaması gerekir. Bu genel dolaşım modelleri (GCM'ler), geçmişte gözlemlenen iklim değişikliklerini anlamak ve iklim sisteminin değişen koşullara gelecekteki olası tepkilerini belirlemeye çalışmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Değişiklikler on yıl ya da yüzyıl gibi kısa bir sürede gerçekleşebilir mi? Değişikliklerden önce, El Nino'ların sıklığındaki artış ve bunların Pasifik Okyanusu'nun sıcak batı sularına Güney Amerika'ya müdahalesi gibi olaylar mı gelecek? Diğer iklim durumlarının özünü sağlayabilecek kutuplara doğru ısı transferinin çeşitli mekanizmaları nelerdir? Bu sorular ve daha birçokları, modern iklim araştırmalarının karmaşıklığını vurguluyor. Basit neden-sonuç açıklamaları genellikle bu alanda etkili değildir. Gelişmiş bilgisayar modelleri neredeyse mevcut tek araçtır, bu nedenle iklim ve küresel dinamiklerle ilgili iddiaları kanıtlamak için yaygın olarak kullanılırlar.

Sırasında ve 20 yıl boyunca, iklim modelleme araştırmacıları Ulusal Atmosfer Araştırmaları Merkezi (NCAR) Topluluk İklim Modelinin (CCM1) bazı versiyonlarını kullandılar. 1987 yılında üretilen MOK1, büyük seri süper bilgisayarlarda çalıştırılıyordu. Şimdi bu araştırmacıların birçoğu, önemi başka bir gezegenden dünyaya geçmek olarak tanımlanan ileri bir adım olan MOK2'yi kullanıyor. Bu hareket kabaca büyük, paylaşımlı hafızalı, paralel vektör bilgisayarların ortaya çıkışına karşılık gelir. Cray YMP. Paralel bilgisayarlar iklimin daha detaylı simüle edilmesini mümkün kılar. Modellerdeki fiziksel süreçlerin dengesinin ayrıntılı bir çalışması, parçaların modellenmesinin artmasıyla ve fiziğin tanımladığı şeye güvenin kazanılmasıyla gözlemlenen duruma yaklaşır.

Modern atmosferik iklim modelleri küresel dolaşımın niteliksel yapısını çok iyi tanımlamaktadır. Enerjinin sıcak ekvator bölgelerinden soğuk kutuplara aktarılması ve yaygın rüzgarların parçalara bölünmesi simülasyonlarda hem niteliksel hem de niceliksel olarak yeniden üretilmektedir. Tropik rüzgar Hadley, orta enlem rüzgarı Ferrel ve jet akımı gözlemlerle iyi bir uyum içindedir. Bunlar, sakin bantlar, alize rüzgarları, orta enlem batı rüzgarları ve kutup yükseklikleri gibi dünya yüzeyinde hissedilen ana atmosferik dolaşım yapılarıdır.

Modellerin modern iklimleri yeniden üretme yeteneği, onların fiziksel güvenilirliğine olan güveni artırıyor. Ancak bu ifade, gelecekteki iklimi tahmin etmek için modellerin kullanılmasına bir temel oluşturmaz. Modellerin kullanımına ilişkin bir diğer önemli kanıt da bunların geçmiş iklim rejimlerine uygulanmasıydı. NCAR IOC, Dünya'nın yörüngesindeki değişiklikler nedeniyle kuzeyde yaz aylarında güneş radyasyonundaki artışların neden olduğu iklim etkilerini simüle etmek için kullanıldı. Etkilerden biri, daha yoğun muson yağmurlarına neden olan dünya sıcaklığının artmasıydı. Dünyanın yörüngesindeki değişikliklerden kaynaklanan güneş radyasyonundaki artış veya azalmaların, geçmiş iklimleri oluşturan koşullardan sorumlu olduğuna inanılıyor. NCAR'dan Stefan Schneider'e göre, "Bilgisayar modellerinin, Dünya'nın yörüngesindeki değişimler tarafından üretilen güneş radyasyonundaki değişikliklere karşı yerel iklim tepkilerini yeniden üretme yeteneği, küresel ısınmanın gelecekteki iklim sonuçlarını tahmin etme araçları olarak bu modellerin güvenilirliğine olan güvenin temelini oluşturuyor." artan sera etkisi."

IOC NCAR tarafından geliştirilen bir dizi iklim modelinin en yeni kodu olan Şekil 2, yukarıda açıklanan fiziksel süreçlerin karmaşık etkileşimini yakalıyor. Üniversite ve endüstriyel araştırma kullanıcıları için uygun olan bu iklim modeli, iklim sisteminin güneş ısısı ve deniz yüzeyi sıcaklıklarındaki günlük ve mevsimsel değişikliklere zamanla değişen tepkisini simüle eder. Son 10 yılda ve öngörülebilir gelecekte bu modeller, ulusal enerji ve çevre politikalarını şekillendirmek için karar almada kullanılan çok çeşitli iklim araştırmalarının ve senaryo testlerinin temelini oluşturmaktadır.

Küresel Dolaşım Modellerinde Kullanılan Paralel Hesaplamalar

Bilgisayar teknolojisindeki ilerlemeler iklim araştırmacıları tarafından memnuniyetle karşılandı çünkü uzun vadeli iklim simülasyonlarının tamamlanması aylarca süren hesaplama süresi gerektirebiliyor. En yeni nesil süper bilgisayarlar paralellik fikrine dayanmaktadır. Intel Paragon XP/S 150, 2048 işlemcinin birleşik hızını kullanarak tek bir karmaşık görevi çözebilir. Bu bilgisayar, her işlemcinin belleğine diğer işlemciler tarafından erişilememesi açısından diğer süper bilgisayarlardan farklıdır. Böyle bir sisteme, paylaşılan bellek yerine dağıtılmış bellek adı verilir. Bir bilgisayarı bu şekilde tasarlamak, problemlere muazzam paralellik uygulanmasına olanak tanır, ancak hesaplamaları formüle etmeyi zorlaştırır.

IOC 2 neredeyse yalnızca paralel süper bilgisayarlarda kullanılır. Modelin ürettiği büyük hesaplama gereksinimleri ve yoğun miktardaki çıktı verileri, bunların iş istasyonu sınıfı sistemlerde etkin kullanımını engellemektedir. MOK2'deki dinamik algoritmanın temeli, matematikçilerin ve fizikçilerin favori işlevi olan ve işlevleri bir kürenin yüzeyindeki değerler olarak temsil etmesi gereken küresel tonlara dayanmaktadır. Yöntem, küre verilerini kompakt ve doğru bir temsile dönüştürür. Dünya yüzeyindeki 128x64 noktalı bir ızgaraya ilişkin veriler, 8192 yerine yalnızca 882 sayı (katsayı) kullanılarak temsil edilebiliyordu. Bu yöntem, küresel harmonik gösterimin doğruluğu ve verimliliği nedeniyle hava ve iklim modelleri için yöntem seçiminde uzun süredir hakim durumdaydı. Dönüşümü hesaplamak için kullanılan yöntemler. Dönüşüm, tek bir harmonik katsayıyı hesaplamak için dünyanın dört bir yanından veri talep etmesi anlamında "küresel" bir yöntemdir. Dağıtılmış belleğe sahip paralel bilgisayarlarda bu hesaplamalar tüm işlemciler arasında iletişim gerektirir. Paralel bir bilgisayarda iletişim pahalı olduğundan çoğu kişi dönüştürme yönteminin geçerliliğini yitirdiğini düşünüyordu.

ORNL'deki daha ileri araştırmalar, iklim modelinin büyük paralel bilgisayarlarda çalışmasını sağlayan hesaplamaları düzenlemenin yollarını buldu.

ORNL araştırmacıları dahil olmadan önce modellerdeki paralellik, 1'den 16'ya kadar yalnızca birkaç işlemci kullanan paylaşılan bellek paradigması ile sınırlıydı. Spektral dönüşüm için gereken küresel iletişim nedeniyle, dağıtılmış belleğe sahip paralel bilgisayarlar pek umut verici görünmüyordu. Ancak ORNL'de yapılan daha ileri araştırmalar, hesaplamaları organize etmenin, anlayışımızı tamamen değiştirmenin ve MOC2'nin devasa paralel bilgisayarlara uygulanmasını mümkün kılmanın yollarını buldu.

Araştırmamız, ORNL'nin Intel Paragon XP/S 150 gibi birden fazla işlemci kullandığı durumlarda bile dönüştürme yöntemini rekabetçi tutan çeşitli paralel algoritmalar belirledi. Bu güçlü makinede, her biri iki bilgi işlem işlemcisi ve bir iletişim işlemcisi içeren 1024 düğüm kartı bulunur. Tam IOC2 iklim modeli, ORNL, Argonne Ulusal Laboratuvarı ve NCAR'dan araştırmacıların işbirliğiyle bu paralel bilgisayar için geliştirildi. Şu anda ORNL'nin Bilgisayar Bilimi ve Matematik Bölümü tarafından, Sağlık ve Çevre Araştırmaları Bölümü'nün sponsorluğunda birleşik bir okyanus-atmosferik iklim modelinin geliştirilmesinin temeli olarak kullanılıyor.

Yeni nesil paralel bilgisayarların sunduğu artan hesaplama yetenekleriyle birlikte birçok araştırmacı iklim modelini iyileştirmenin yollarını arıyor.

Yeni nesil paralel bilgisayarların sunduğu artan hesaplama yetenekleriyle birlikte birçok araştırmacı, okyanus ve atmosferi birbirine bağlayan modelleri geliştirmenin yollarını arıyor. Modellemedeki bu dikkate değer ilerleme, bizi iklim sisteminin eksiksiz bir modeline bir adım daha yaklaştırıyor. Bu tür yerleşik modelle iklim araştırmalarının birçok alanı açılacaktır. İlk olarak, Dünya'daki karbon döngüsünü simüle etmek için geliştirilmiş bir yöntem ortaya çıkacak. Okyanus ve kara süreçleri (örneğin ormanlar ve topraklar), atmosferde karbonun depolanacağı kaynak ve yerler olarak hareket eder. İkincisi, atmosferik modelleri girdaplara izin veren yüksek çözünürlüklü okyanus modelleriyle birleştirmek, bilim adamlarının iklim tahmininde daha önce anlaşılmaz olan sorunları gözlemlemelerine olanak tanıyacak. Modeller tipik okyanus-atmosfer etkileşim davranışını gösterecek. El Niño etkileşim modlarından yalnızca bir tanesidir. Bu rejimlerin tespiti ve tanımlanması, iklim tahmini probleminin anahtarının elde edilmesine yardımcı olacaktır.

Modellerimiz, sera etkisinden kaynaklanan ısınma ve sülfat aerosollerinden kaynaklanan soğutma etkileri gibi hem yapay hem de doğal kaynaklı atmosferik etkilere karşı koymanın iklim üzerindeki genel etkisini tahmin etmek için kullanılabilir. Intel'in, IBM SP2'nin artan bilgi işlem gücünü kullanarak veya Cray Araştırması T3D olarak araştırmacılar, doğal süreçler ile fosil yakıtların yanması ve dünyadaki evimizin iklimi gibi insan faaliyetleri arasındaki karmaşık karşılıklı bağımlılıkları anlamak için adım adım ilerlemelidir.

İklim modeli, iklim sisteminin matematiksel bir modelidir.

İklim sistemi modeli, tüm unsurlarının ve aralarındaki bağlantıların resmileştirilmiş bir tanımını içermelidir. Temeli, koruma yasalarının (momentum, enerji, kütlenin yanı sıra atmosferdeki su buharı ve okyanus ve karadaki tatlı su) matematiksel ifadelerine dayanan termodinamik bir tasarımdır. İklim modelinin bu makro bloğu, enerjinin dışarıdan gelişini hesaba katmamıza ve gezegenin ikliminin ortaya çıkan durumunu hesaplamamıza olanak tanıyor.

Termodinamik süreçlerin modellenmesi, iklim rejiminin tam olarak yeniden üretilmesini sağlamak için gerekli ancak yeterli olmayan bir koşuldur. İklim sisteminin unsurları arasındaki bazı kimyasal süreçler ve jeokimyasal temaslar önemli bir rol oynamaktadır. Bu durumda, döngülerden veya döngülerden bahsediyorlar - bu okyanustaki karbon döngüsü, stratosferdeki oksijen (ve diğerleri: klor, brom, flor, hidrojen) ozon döngüleri, kükürt döngüsü vb. İklim modelindeki yer, iklim açısından önemli kimyasal süreçlerin makro bloğu tarafından doldurulmalıdır.

İklim sistemindeki üçüncü makroblok, canlı organizmaların karada ve okyanusta faaliyetleriyle sağlanan iklim oluşturma süreçlerini içermelidir. Bu temel bağlantıların sentezi ideal bir iklim modeli oluşturmalıdır.

İklim oluşumunda yer alan süreçlerin karakteristik zamanlaması dikkate alınarak modeller oluşturulmalıdır. Herhangi bir zaman ölçeğinde çalışabilecek tek bir model oluşturmak imkansız olmasa da en azından hesaplama maliyetleri açısından pratik değildir. Bu nedenle belirli ölçekteki iklim süreçlerini anlatacak modellerin oluşturulması uygulaması benimsenmiştir. Modelleme için seçilen ölçeğin dışında, yavaş süreçler tarafında, sabit sınır koşulları ve parametreler kullanılmaktadır (değişikliklerin, çalışılanlara göre çok yavaş olduğuna inanılmaktadır). Daha küçük ölçekte, "hızlı" rastgele dalgalanmaların meydana geldiği kabul edilir; bunun ayrıntılı bir açıklaması, ortaya çıkan etkilerin istatistiksel değerlendirmesiyle değiştirilebilir (örneğin, yarı ampirik teoride yaygın olduğu gibi, ortalama durumların gradyanları yoluyla). türbülans).

İdeal modelin altında yatan genel ilkeler, değişen derecelerde tamlıkla uygulanabilir. Bu nedenle, modern modeller son derece parçalı biyolojik etkileri ve kimyasal süreçleri temsil etmektedir. Bunun nedeni kısmen, modellerin kısa vadeli iklim değişikliklerini incelemeye odaklanarak geliştirilmiş olması, uzun vadeli (örneğin jeokimyasal) etkilerin bir dizi sabitle karakterize edilebilmesidir. Bu nedenle modern iklim modelleri öncelikle termodinamik modellerdir. Bazı durumlarda, sınırlı sayıda geri besleme bağlantısına sahip kimyasal veya biyolojik bloklar bunlara eklenir.

Termodinamik modeller ise süreçlerin tanımlanmasındaki ayrıntı derecesine göre büyük ölçüde farklılık gösterir. Bazıları basitleştirilmiş ifadelere dayanır, diğerleri ise temel fizik yasalarını kaydetmenin “tam” matematiksel formlarını kullanır. Buna uygun olarak, her model, bazıları açık bir matematiksel ve fiziksel gerekçeye sahip olan (ve bu açıdan bakıldığında kusursuz), diğer kısmı ise fenomenolojik olan belirli bir algoritma seti biçiminde temsil edilebilir. simülasyon doğası. Bunlar sözde parametreleştirmelerdir.

“Tam” ve basitleştirilmiş modeller arasındaki farklar, ilkinin daha zengin bir fiziksel içeriğe sahip olmasıyla ortaya çıkıyor. Bu nedenle, sistemin tamamında otomatik olarak uygulanan geri bildirimlerin kapsamı daha geniştir. Basitleştirilmiş modellerde, gerekli geri bildirimlerin "elle eklenmesi" gerekir, yani zorla, çoğu zaman derin bir gerekçe olmaksızın, bazı bağımlılıkların denklemlere eklenmesi gerekir. Bu tür prosedürler modellemenin değerini azaltır çünkü bir geri bildirim modelinin yapay olarak dayatılması aslında modellemenin sonucunu önceden belirler. Ek olarak, belirtilen bağlantı her zaman şu veya bu şekilde iklimin mevcut durumu hakkındaki bilgilere dayanmaktadır ve diğer iklim koşullarına geçerken böyle bir tasarımın güvenilir sonuçlar vereceği garanti edilmemektedir. Bu nedenle, modellerin geliştirilmesi başlı başına bir amaç değil, mevcut mekanizmaların fiziksel olarak daha eksiksiz bir şekilde yeniden üretilebilirliğine giden bir yoldur.

Ancak etkilerin belirlenmesinden tamamen vazgeçmek ancak ideal bir modelde mümkün olacaktır. Modern modeller parametrelendirilmesi gereken önemli biyolojik ve kimyasal etkileri içermemektedir.

“Tam” modellerin bariz görünen avantajına rağmen, basitleştirilmiş modeller kullanılmaya ve geliştirilmeye devam etmektedir. Bunun nedeni aşağıdaki nedenlerden kaynaklanmaktadır. İlk olarak, "tam" olarak adlandırılan modeller, daha önce de belirtildiği gibi, aslında tam olmaktan uzaktır, bunların içerdiği bazı parametrelendirmeler çok kabadır ve modelin kusurunu belirleyen, bireysel blokların kusurudur. bir bütün. İkincisi, basitleştirilmiş modeller daha basittir, pratik uygulamaları temelde "tam" modellerden çok daha kolaydır. Daha düşük (büyüklük sırasına göre) bilgisayar hızı gerektirirler ve bu nedenle uzun bilgisayar deneyleri yapmak, ön hesaplamalar yapmak ve yeni parametrelendirme şemalarını test etmek mümkündür. Dördüncüsü, basitleştirilmiş modeller, sonuçların "tam" modellere göre çok daha net ve daha kolay yorumlanmasını sağlar. Sonuçların bu "şeffaflığı" bazen basitleştirilmiş bir model kullanarak herhangi bir bireysel etkiyi incelemeyi mümkün kılar - örneğin, termal rejimin ve yüzey albedosunun doğrudan ve geri besleme bağlantılarını izole etmek, eser gaz safsızlıklarının radyasyon etkilerini dikkatlice incelemek, vesaire.

İklim modellerini fiziksel bütünlük derecesine ve aynı zamanda karmaşıklığa ve bilgisayar kaynaklarına yönelik artan gereksinimlere (hız, harici cihazlarla döviz kuru) göre sıralarsak, o zaman en basit olanı şu olacaktır: Budyko-Sellers tipi modeller olarak adlandırılan modeller, bunu “orta düzey karmaşıklık” modelleri ve son olarak da tam iklim modelleri takip ediyor.

Tüm modeller, iklim değişikliğinin teşhisi ve tahmin edilmesi amacıyla kullanılmaya başlamadan önce bir doğrulama aşamasından geçiyor. İklimi oluşturan faktörlerin mevcut durumuna karşılık gelen belirli bir dizi parametre verilen modellerin, gerçekte mevcut iklimi yeterince üretip üretemediğinin kontrol edilmesinden oluşur. Bu oldukça başarılı bir şekilde yapılırsa, şu şekilde mantık yürütebiliriz: eğer model belirli bir (rastgele, genel olarak konuşursak) dış koşullar kümesine doğru bir şekilde yanıt verebilirse, o zaman farklı bir dizi koşula karşılık gelen koşulları da eşit derecede başarılı bir şekilde yeniden üretecektir. parametreler. Doğal olarak, bu durum yalnızca modelin eksiksiz olduğu, yani herhangi bir ayar parametresi ve bağlantıdan yoksun olduğu varsayıldığında makul olacaktır.

Enerji dengesi modelleri (Budyko-Sellers tipi modeller), iklim sisteminin enerji bütçesi denkleminin basitleştirilmiş bir ifadesine dayanmaktadır; burada yalnızca bir miktar, bilinmeyen bir miktar olarak hareket eder - sıcaklık. Bu tip modellere dayanarak, termal rejim ile yüzey albedosu arasındaki geri bildirimin etkinliği ilk kez gösterildi. Modellerin tek boyutlu (sıcaklığa karşı enlem) ve iki boyutlu (enlem ve boylam) versiyonları vardır.

Orta düzey karmaşıklık modellerinin olumlu yönleri açıktır. Bilgisayar teknolojisine özel gereksinimler getirmezler ve bu nedenle uzun vadeli deneyler gerçekleştirmek için kullanılabilirler; elde edilen sonuçlar, herhangi bir "basit" model gibi, yorumlanmaya yetecek kadar açıktır. Dezavantajları da anlaşılabilir - asıl mesele, basitleştirilmiş modellerin modern olan dışındaki iklim oluşum koşullarında iklimi yeniden üretip üretemeyeceğine dair güvenin olmamasıdır.

Modellerin geliştirilmesindeki bir sonraki aşama, genel atmosferik sirkülasyon modelleri olarak adlandırılan modellerdir. Bu isim, termohidrodinamiğin tam denklemlerine dayanan küresel üç boyutlu modellere atanmıştır. AGCM'nin uzaysal çözünürlüğü enlem ve boylam olarak yaklaşık 200x200 km ve atmosferde yaklaşık 20 seviye ile ~30x30 km ve 60 seviye arasında değişmektedir. Zaten 90'lı yıllarda, modelleme görevlerini ve bilgisayar kaynaklarını tehlikeye atan optimal AGCM yapısının anlaşılması sağlandı.

İklim modellerindeki iyileştirmeler, okyanus modellemesinin iyileştirilmesi yolunda ilerlemektedir. Şimdiden, modeller için en önemli özelliğe sahip olan birkaç düzine dikey seviyeye sahip birkaç on kilometrelik bir çözünürlükle modeller ortaya çıkıyor - okyanustaki girdaplar, ana dolaşım ve enerji taşıyan oluşumlar otomatik olarak yeniden üretiliyor, parametreleştirmeler kullanılmadan.

Arazi bloğunun gelişimi, bitki örtüsünün rolü dikkate alınarak hidrolojik süreçlerin ve arazi ile atmosfer arasındaki ısı ve nem alışverişinin ayrıntılı bir açıklamasının yolunu takip eder. Bazı durumlarda, modellerin yönelimine bağlı olarak kıtasal buzullaşma dinamikleri blokları AGCM'ye sabitlenir.

Modellerin daha da geliştirilmesi, simüle edilen alanların ayrıntılarının daha da arttırılmasını içerir. Bu, modern bilgisayar mimarisindeki fizikçilerin, matematikçilerin ve uzmanların ortak çabalarını gerektirir.Genel olarak konuşursak, bunun modelin istenen fiziksel "tamlığına", onu ideale yaklaştırmasına yol açıp açmayacağı açık değildir, çünkü yeni Süreçlerin daha derinlemesine ele alınmasında sorunlar hemen ortaya çıkar, gözlemsel veri ağının yetersiz olması vb. sorunlar. Dolayısıyla, büyük ölçekli dinamikleri tanımlamak için kullanılan Reynolds denklemlerinden Navier-Stokes denklemlerine temel bir geçiş, şu sonuçlara yol açacaktır: yeni problemler, özellikle moleküler viskozite katsayısının mekansal dağılımı vb. hakkında ayrıntılı bilgiye ihtiyaç duyulacaktır.