Иерархия моделей земной климатической системы: от простого к сложному

Автор: д.ф.-м.н., зав.лаб. ЛТК, Елисеев А.В.

Климатические модели являются одним из основных инструментов изучения и прогнозирования климата. Современные модели состоят не только из блоков, включающих описания атмосферы и океана, но и включают модули морского льда, биогеохимических циклов, динамики растительности и даже социально-экономические процессы.

На сегодняшний день выделяют 4 основных класса климатических моделей в зависимости от полноты представления компонент земной климатической системы, а также степени детальности описания процессов внутри этих компонент. Следует иметь в виду, что в основе каждого из таких классов лежат фундаментальные законы физики — законы сохранения энергии, импульса, массы и электрического заряда. 

Модели общей циркуляции (МОЦ) — наиболее детальные и вычислительно затратные. Они основаны на решении системы уравнений гидродинамики в «примитивной» форме и позволяют изучать климат с высоким разрешением за счёт учёта большого количества процессов (динамика растительности, химия атмосферы, ледовые щиты и т.д.). Они используются для понимания процессов, с которыми связаны изменения климата за инструментальный период, и для оценок климатических изменений в последующие несколько столетий. Пример: модель ИВМ РАН. 

Модели промежуточной сложности (МПС) — золотая середина. Здесь происходит упрощение управляющих уравнений моделей за счёт огрубление пространственного разрешения исходных «примитивных уравнений» или уменьшение числа учитываемых при спектральном разложении сферических функций. Такие шаг делают этот класс моделей менее ресурснозатратной, что позволяет проводить вычисления на тысячелетия вперёд.  Таким образом, они используются для палеоклиматических за дач, или задач, в которых большая длительность численных экспериментов обусловлена ансам блевым подходом к оценке отклика системы на внешнее воздействие.  Примеры: CLIMBER, UVic ESCM, модель ИФА РАН. 

Радиационно-конвективные модели (РКМ) — идеальны для углублённого изучения вертикальных процессов в атмосфере (химия, перенос излучения) при низких вычислительных затратах. Принципиальным недостатком РКМ является отсутствие учёта горизонтальной циркуляции атмосферы. В связи с этим были разработаны способы проведения численных экспериментов с радиационно-конвективными моделями при задании горизонтальных потоков энергии без потери взаимной согласованности между переменными. Следует отметить, что современные РКМ также являются, по сути, соответствующими блоками глобальных МОЦ, дополненными блоками образования облаков и осадков, химических процес сов в атмосфере и турбулентных процессов в приземном пограничном слое атмосферы, и часто используются в качестве «полигона» для тестирования модификаций этих блоков. Пример: модель Манабе и Стриклера.

Энергобалансовые модели (ЭБМ) —наиболее простые, глобально-усреднённые модели. Их атмосферная компонента по строена на основе закона сохранения энергии в простейшей форме с учётом только влияния солнечной и тепловой радиации и горизонтального крупномасштабного переноса тепла. Такие модели наиболее часто используются при очень низком пространственным разрешении — как правило, при глобальном или при зональном усреднении.  В случае численной реализации такие модели вычислительно очень эффективны, что даёт возможность быстро вычислять общие характеристики термического (и, возможно, биогеохимического) состояния климатической системы. Пример: ЭБМ М. И. Будыко, модель MAGICC. 

На сегодняшний день не существует «универсальной» климатической модели. Использование того или иного класса зависит от поставленной научной задачи. Развитие всех классов МЗС и их совместное использование в рамках ансамблевых подходов — ключ к решению сложных задач теории климата. Рис.: Компоненты модели земной климатической системы. 

Подробнее читайте в статье.