Strona główna - Forum - Wiadomości - FAQ - BOINC krok po kroku - Portal użytkowników

Z Portal BOINC@Poland

Ta strona próbuje dać krótki przegląd jak działają modele klimatu, a także kilka szczegółów na temat modeli stosowanych w eksperymencie Climateprediction.net. Strona podzielona jest na następujące działy:

Wprowadzenie do modeli klimatu

Co to jest model klimatu? Model klimatu jest numeryczną reprezentacją różnych części systemu klimatycznego Ziemi. Istnieją dwa sposoby podejścia do tego problemu. Pod pewnymi względami, naukowcy próbują zredukować skomplikowane zachowania klimatu do zestawu równań matematycznych, w nadziei, że może zrozumieją trwające procesy. Jest to wiarygodne w dość prostych modelach. W przypadku najnowocześniejszych General Circulation Models/ Global Climate Models (GCMs), takich jak ten stosowany w eksperymencie climateprediction.net, próbuje on zaprezentować wszystko, nawet jeśli jest to bardzo skomplikowane i nie zawsze można zrozumieć co się dzieje. Równania są ulepszone, w rozsądnych granicach, tak, że model dobrze sobie radzi przy generowaniu byłych i obecnych klimatów (w porównaniu do obserwacji zarchiwizowanych). Mogą on być następnie wykorzystane do próby przewidzenia jak klimat będzie się zachowywał w przyszłości.

GCMs próbuje symulować jak najwięcej o systemie klimatycznym: przychodzące i wychodzące promieniowanie, ruch powietrza, ruch chmur i opadów, wzrost i kurczenie się pokrywy lodowej itp. Są one często (tak jak te używane w modelu) połączone z reprezentacją oceanu. Mogą one wziąć pod uwagę, jak zmienia się roślinność na powierzchni Ziemi. Ostatecznie staramy się obliczyć, jak wszystkie różne części systemu klimatycznego oddziałują na siebie, i jak działa sprzężenie zwrotne procesu (rezultat wyjściowy działa na wejście procesu - przyp. tłum.).

Dlatego "najlepsze" szacunki przyszłego klimatu pochodzą z ogólnego modelu obiegu, a nie z modelu uproszczonego.

Jednolity model

Atmosferyczna część modelu używana przez climateprediction.net jest najnowszym modelem UK Met Office's Unified Model; ten sam model jest używany do produkcji każdej prognozy pogody w brytyjskiej telewizji. Istnieją oczywiście pewne różnice między sposobem w jaki model jest uruchamiany przy produkcji komercyjnej prognozy pogody a jaki jest uruchamiany tutaj. Najbardziej oczywistą różnicą jest rozdzielczość. Rys. 1 pokazuje różnice w rozdzielczości nad Wyspami Brytyjskimi; rozdzielczość jaką będziemy używali w sposób oczywisty nie nadaje się do informowania ludzi ile będzie deszczu w Manchesterze (na przykład).

Rysunek 1. Rysunek pokazuje różnicę w liczbie pól obejmujących sieć na Wyspach Brytyjskich w wersji modelu climateprediction.net (po lewej), oraz wersji regionalnej (po prawej). Ten obraz pokazuje, że model regionalny daje lepszą symulację brytyjskich opadów niż model Climate Prediction.

Rozdzielczość pozioma - siatka

GCMs pracuje obliczając co klimat robi (pod względem wiatru, temperatury, wilgotność itp.) w szeregu punktów na powierzchni Ziemi oraz w atmosferze/oceanach. Punkty te są określone jako sieć obejmującą powierzchnię Ziemi, dzieląc je na wiele małych pól (patrz rys. 2). Im więcej jest pól, tym rozdzielczość modelu oraz cechy klimatu na mniejszą skalę są bardziej reprezentatywne. Z tego punktu widzenia, najlepszym modelem klimatu będzie ten z najwyższą rozdzielczością. Niestety ma to swoje wady, im więcej punktów, tym więcej obliczeń musi być wykonane, a więc więcej czasu pracy komputera jest potrzebna do działania. Ogólnie rzecz biorąc, trzeba stworzyć kompromis między rozdzielczością a czasem. Dla prognoz pogody, które interesują się tylko tym co się wydarzy w ciągu najbliższych 5 dni, rozdzielczość może być dużo większa niż w prognozach klimatycznych, które są obliczane na najbliższe sto lat! Paleoklimatolodzy którzy są zainteresowani tym, co robił klimat wiele tysięcy lat temu, muszą korzystać nawet z bardzo małej rozdzielczości modeli.

Dlatego w modelu climateprediction.net istnieją tylko 4 pola w sieci na Wyspach Brytyjskich. To oczywiście nie będzie bardzo dobrze reprezentować klimatu, na przykład, Lake District, który jest górzystym regionem, który obejmuje obszar znacznie mniejszy niż jedno pole sieci. Jest jednak wystarczająco dobre aby uzyskać dokładny obraz klimatu na dużą skalę, na przykład na Wyspach Brytyjskich. Rozdzielczość wynosi 2,5 ° szerokości geograficznej i 3,75 ° długości geograficznej.

Rysunek 2. Typowe wyświetlanie modelu, pokazano temperaturę powierzchni Ziemi w każdym z pól siatki modelu.

Rozdzielczość pionowa - poziomy

W sposób podobny do siatki poziomej, pionowy profil atmosfery jest podzielony na kilka różnych poziomów. Model stosowany w climateprediction.net ma 19 pionowych poziomów w atmosferze (i 20 w oceanie), rysunek 3 pokazuje w jaki sposób są one rozmieszczone w wysokości. W odróżnieniu od poziomej siatki, pionowe siatki nie są równomiernie rozmieszczone. Nawet ciśnienia nie są równomiernie rozłożone, a mogłoby to mieć sens, jak na przykład, 950 hPa (w pobliżu powierzchni wody) i 900 (trochę wyżej) hPa, poziomy o tej samej masie powietrza między nimi jak poziomy 100 hPa i 50 hPa, chociaż fizyczna odległość między nimi jest o wiele mniejsza. Jest tak dlatego, że gęstość powietrza spada wykładniczo wraz z odległością od powierzchni Ziemi: różnica ciśnienia pomiędzy górą Everest (ok. 10 km) i około 9 km jest znacznie mniejsza niż różnica ciśnienia między poziomem morza i 1 km nad poziomem morza.

Poziomy są w rzeczywistości rozmieszczone nierównomiernie nawet w warunkach ciśnienia. Mogą one być skoncentrowane w obszarach, tj. blisko powierzchni, gdzie są bardziej interesujące dla nas, niż te na innych poziomach. Model poziomów uwzględnia co robi powierzchnia, tak więc poziom nie znika nagle, gdy przecina górę! Na najwyższym poziomie jest na około 30 km; w środku stratosfery.

Rysunek 3. 19 poziomów modelu w wersji z Unified Model, model stosowany przez climateprediction.net. Poziomy nie są równo rozłożone wg wysokości (prawa skala) lub ciśnienia (lewa skala).

W rezultacie zarówno poziomych i pionowych siatek atmosfery, skutecznie podzielono na trójwymiarowe pola; rysunek 4 pokazuje w jaki sposób.

Rysunek 4. Poziome i pionowe siatki nad Brytanią.

Takt

Tak jak podzielenie atmosfery na "pudełka", również czas postępuje w skończonych odstępach. W climateprediction.net takt modelu podstawowego wynosi pół godziny. Model rozpoczyna się z zestawem wstępnych warunków atmosfery i oceanu a następnie oblicza, jak będą one ewoluowały po pół godziny, 1 godzinie itp. Wybór taktu jest niełatwy. Jeśli chcesz obliczyć model 50-letni jak najszybciej, wtedy chcesz wykorzystać możliwie jak największy takt. Niestety nie jest to możliwe, ponieważ gdy takt wynosi ponad określony poziom krytyczny, model staje się niestabilnych i zatrzymuje się. W dużym uproszczeniu dzieje się tak dlatego, ponieważ takt jest tak duży, że powietrze (lub dokładniej, energia) może podróżować dalej niż jedno "pudełko" w jednym takcie i staje się niemożliwe dokładne ustalenie w jaki sposób oddziałują na siebie pola. Jednakże niektóre rzeczy w atmosferze zmieniają się szybciej niż inne i trzeba obliczać je częściej. Przykładowo dynamika (zasadniczo ruchu powietrza) musi być obliczana co pół godziny, ale promieniowanie (saldo przychodzących i wychodzących energii) można obliczać rzadziej. Dlatego, jeśli obejrzeć uruchomiony modelu, wydaje się że niektóre takty są dużo szybsze od innych. W oceanie, stosunek rozmiaru poziomej siatki do długości taktu, nie może przekraczać największej prędkości przepływu wody w oceanie.

Parametryzacja

Problemem z podziałem atmosfery na wiele małych sześcianów jest to, że istnieje wiele procesów, które są mniejsze niż sześciany. Więc na przykład, poszczególne chmury mogą być mniejsze niż sześcian siatki. Odgrywają one nadal ważną rolę w systemie klimatycznym, zwłaszcza zbiorowym, więc procesy pochodzące od nich jak również powstałe konsekwencje muszą być reprezentowane. Więc, na przykład, w oparciu o wiedzę na temat temperatury i wilgotności powietrza w sześcianie, musimy oszacować ile chmur i deszczu znajduje się w tym sześcianie. Musimy również wiedzieć jak dużo zanieczyszczeń (np. "aerozolu") jest w sześcianie, i jak bardzo małych cząstek stałych w powietrzu wymagają krople aby się uformować. Ten proces nazywany się parametryzacją. Istnieje wiele systemów parametryzacji modelu, takich jak program który oblicza ile jest chmur. Niektóre z tych programów są dobrze potwierdzone przez obserwacje i są uważane za dosyć wiarygodne, ale inne są znacznie mniej zrozumiałe i nie jesteśmy pewni co do nich.

Modele oceanu i ich interakcji z atmosferą

Ocean tak jak atmosfera jest płynnym składnikiem systemu klimatycznego i musi być reprezentowany w modelach klimatu. Ciepło i woda są przekazywane między oceanem i atmosferą, a te procesy muszą być reprezentowane jak najdokładniej. Ponadto prędkość wiatru na powierzchni oceanu wpływa na sposób w jaki jest on mieszany i jak szybka jest odpowiedź na zmieniające się temperatury atmosfery.

Systemy pogodowe oceanu lub wiry, które odgrywają ważną rolę w systemie klimatyczny, wydają się być znacznie mniejsze (do około 100 km) niż atmosferyczne systemy pogodowe, więc elementy oceaniczne modeli klimatycznych zwykle mają większą rozdzielczość niż składniki atmosfery. Oceany reagują znacznie dłużej na zmiany w bilansie pomiędzy przychodzącym i wychodzącym promieniowaniem niż atmosfera. Oznacza to, że modele oceanu trzeba uruchamiać wiele dziesięcioleci jeśli mają być uwzględnione w prognozie klimatu. Te czynniki oznaczają, że wymagają znacznie więcej mocy obliczeniowej niż modele atmosfery. Jest to czasem unikane za pomocą uproszczonego modelu zwanego "płytą oceanu", który skutecznie reprezentuje tylko górę 50m oceanu, bez prądów głębinowych, które mogą transportować duże ilości ciepła, chociaż bardzo powoli. Dlatego skutki prądów należy sparametryzować.

Zarówno model płyty oceanu jak i pełny model oceanu będzie "połączony" z atmosferą w modelu climateprediction.net. Pełny model oceanu zastosowany w drugim eksperymencie climateprediction.net ma w rzeczywistości tą samą rozdzielczość poziomą (2.5° szerokości geograficznej i 3,75° długości geograficznej) w atmosferze, i 20 pionowych poziomów, z większą rozdzielczością pionową blisko powierzchni.

Oba modele działają asynchronicznie, co oznacza, że atmosfera jest pierwszym modelem na jakiś czas a potem model oceanu działa przez jakiś czas. W przypadku modelu wykorzystywanego w eksperymencie climateprediction.net poszczególne składniki trwają jeden dzień.

Ciągłe zmiany ciepła, wiatru i słodkiej wody są przekazywane między modelem oceanu i modelem atmosfery poprzez interfejs ocean-atmosfera.

Chaos, zbiory i prawdopodobieństwo

Dlaczego pogoda jest tak nieprzewidywalna? Nie jest losowa, to znaczy nie jest możliwe wiedzieć co zamierza zrobić, ale chaotyczna; pogoda przestrzega praw fizyki, każdy efekt ma swoją przyczynę. Problemem jest to, że istnieje wiele możliwych przyczyn i niemożliwe jest wiedzieć o nich wszystkich. Często cytowany przykład (który pochodzi od Ed'a Lorenz'a z lat 60-tych) mówi, że ruch skrzydeł motyla w amazońskim lesie deszczowym może, poprzez długą linię mało prawdopodobnych ale możliwych skutków spowodować burzę w Teksasie.

Inny przykład. Wyobraźmy sobie wrzucenie patyka w prąd rzeki po jednej stronie mostu, który przebiega nad płytkim strumieniem. Sposób w jaki zostanie upuszczony patyk, którą stroną itp. skutkuje dokładnym miejscem gdzie i jak wyląduje w wodzie. Pod mostem są kamienie i roślinność, które powodują wzorce w przepływie strumienia. Mały nacisk na patyk w trakcie rzucania może powodować różnicę po której stronie kamienia będzie on przepływał, i może to skutkować utknięciem w roślinności lub pozostanie w szybszym strumieniu. Po przejściu na drugą stronę mostu aby oglądnąć patyk, jest praktycznie niemożliwe do przewidzenia, kiedy i gdzie się pojawi ponieważ nie wiesz, co faktycznie stało się pod mostem. Nawet jeśli wiesz dokładnie jak wygląda strumień, istnieje niepewność w jaki sposób patyk wpadł do strumienia, a więc istnieje wiele możliwych sposobów w jaki może przejść pod mostem.

Czy to oznacza, że dokonywanie dokładnej prognozy pogody lub przewidywanie klimatu jest beznadziejną sprawą? Odpowiedź brzmi nie! Musimy mieć wiedzę na temat wszystkich możliwych sposobów rozwoju atmosfery i jakie jest prawdopodobieństwo każdego z możliwych sposobów. Sposobem aby to zrobić jest uruchomienie zespołu GCM. Zespół jest zbiorem tych samych GCM, które różnią się bardzo nieznacznie w warunkach początkowych (np. może być 1% różnicy w prędkości wiatru nad Oxford), lub ich parametryzacji. Rozmiary zespołów znacznie się różnią. Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF) obecnie korzysta z 50 osobowego zespołu do prognozowania pogody. W climateprediction.net, mamy nadzieję, że zespoły będą się składać z milionów użytkowników! Będzie wtedy można tworzyć statystyki ilu członków zespołu tworzy każdy możliwy wynik. Na przykład, rysunek 5 (zmyślony!) pokazuje temperatury w Londynie z zespołu 500 członków. Możesz zobaczyć, że istnieje bardzo szeroki zakres możliwych temperatur. Istnieje kilka izolowanych; te przewidywane temperatury poniżej 10° C lub powyżej 21° C. Jednakże większość przewidywanych temperatur jest między 13-18° C i jest to w okolicach szczytu 15,5° C.

Rysunek 5. Temperatury w Londynie (zmyślone) zgodnie z przewidywaniami 500 uruchomień GCM na 5 dni prognozy.

Nasz najlepszy sposób aby odgadnąć jaka jest rzeczywiście temperatura to wybranie tej, która została najwięcej razy przewidziana, czyli jednej z największym prawdopodobieństwem. Wykresy te nazywamy Funkcją Gęstości Prawdopodobieństwa (Probability Density Functions)lub pdfs.

Odwzorowanie map, długość i szerokość geograficzna

Szerokość: Miara odległości od równika. Równik wynosi 0° szerokości geograficznej, a biegun północny i południowy wynoszą odpowiednio +90° i -90° szerokości geograficznej. Linie szerokości geograficznej są to linie łączące wszystkie obiekty z tej samej szerokości geograficznej, a więc będą funkcjonować na całym świecie; na rys. 6, są liniami poziomymi. Jeśli przejść w linii prostej na północ od 0° szerokości geograficznej do 1° N, odległość ta będzie dokładnie taka sama jak przejść między 89° N i 90° N. Jeśli jednak wyobrazić sobie spacer wokół Ziemi wzdłuż linii szerokości geograficznej, musisz przejść dużo dalej na równiku niż, na przykład w 50° S.

Długość: Miara określająca jak daleko na wschód lub na zachód jesteś. Południk Greenwich, przecinający East London, wynosi 0° długości i jest linią zmiany daty. Na środku Pacyfiku wartość długości wynosi 180°. Linie długości są to linie łączące wszystkie obiekty o tej samej długości, tak że biegnie od bieguna do bieguna, na rys. 6, są to linie pionowe. Jeśli chodzić wzdłuż równika, odległość między 80° E i 90° E jest taka sama, jak między 130° E i 140° E. Jednakże na biegunach linie długości są znacznie bliżej siebie niż na równiku, a więc odległość między 80° E i 90° E jest mniejsza niż na równiku.

Rysunek 6. Mapa szerokości i długości geograficznych na całym świecie, oznaczone w odstępach 10°.

Odwzorowanie map jest próbą odwzorowania powierzchni 3-wymiarowej, kulistej Ziemi na płaskiej, 2-wymiarowej (2-D) kartce papieru / ekranie komputera. Aby to zrobić, musiano ustalić pewien kompromis. Nie jest możliwe, aby zachować wszystko całkiem dokładnie. Na przykład, kąt z jednego miejsca do drugiego może być zniekształcony lub względna wielkość jednego kraju w stosunku do drugiego może być zła. W wielu odwzorowaniach, np. odwzorowaniu cylindrycznym, Ziemia musi być rozłożona na biegunach aby starannie wypełnić prostokąt. Oznacza to, że kraje bliżej biegunów (np. w Wielka Brytania) wydają się znacznie większe w stosunku do krajów bliżej równika (np. w krajach Afryki), niż jest naprawdę.

Rysunek 7. Przykłady odwzorowań: Odwzorowania Miller Cylindrical, Cylindrical Equidistant i Mercator są przykładami wszystkich odwzorowań walcowatych, czyli rzut powierzchni Ziemi wokół kawałka papieru jako cylindra, i z równikiem w kontakcie z arkuszem papieru. Równoległe cylindryczne odwzorowanie (Cylindrical Equidistant) jest najprostsze i wszystkie szerokości i długości geograficzne zachowują te same odstępy gdziekolwiek jesteś i są zawsze równolegle / prostopadle do siebie. Oznacza to, że uzyskane kształty krajów są bardzo zniekształcone. W odwzorowaniu Miller Cylindrical, linie szerokości są coraz dalej od siebie im bliżej jest do biegunów. Jest to prosta metoda na zmniejszenie ilości zakłóceń, ale nie rozwiązuje problemu całkowicie, ani obszarów krajów ani kątów, na przykład wybrzeża są poprawne. W odwzorowaniu Mercator kształty, przynajmniej lokalnie, są poprawne. Odwzorowanie stereograficzne (stereographic) nie jest odwzorowaniem cylindrycznym. Wielkość krajów jest bardzo zniekształcona, jednak wszystkie kąty są poprawne.

Projekt climateprediction.net używa najprostszego odwzorowania, odwzorowania cylindrycznego.

Rysunek 8. Przykład odwzorowania cylindrycznego wykorzystanego przez climateprediction.net.

Przykłady długości i szerokości geograficznych:

• Zwrotnik Raka 23.5° N
• Zwrotnik Koziorożca 23,5° S
• Koło podbiegunowe 66,5° N
• Koło podbiegunowe południowe 66,5° S

• Londyn (UK) 0° W, 51.5° N
• Denver, Colorado (USA) 105° W 39° N
• Milton Keynes (Wielka Brytania) 1° W 52° N
• Alice Springs (Australia) 134° E 23° S
• Hawaje (USA) 155° W 20° N
• Moskwa (Rosja) 38° E 56° N
• Cape Town (RPA) 18° E 33° S
• Rio de Janeiro (Brazylia) 43° W 23° S

Aby uzyskać więcej szczegółowych informacji technicznych na temat Unified Model, odwiedź stronę UGAMP.

Tłumaczenie: Kempler

Tłumaczenie ze strony: [1]

Copyright © 2002-2008 climateprediction.net