Россию ждет теплое будущее
АрхивНаукаРоссийские ученые, как и их коллеги по всему миру, уделяют большое внимание проблеме глобальных изменений климата планеты. Одна из лучших в мире систем моделирования климатических изменений создана в Институте вычислительной математики РАН.
Проблеме глобального потепления уделяется все больше внимания с каждым годом. Огромные выбросы парниковых газов, прежде всего, диоксида углерода, метана и других углеводородов, ведут к постепенному потеплению климата планеты. Это потепление приведет к таянию полярных льдов и неизбежному затоплению части суши. В связи с этим предпринимаются попытки ограничения выбросов парниковых газов. Методы для этого используются самые разные: от поощрения внедрения новых технологий с меньшими парниковыми выбросами до решительного запрета на использование технологий устаревших. Одной из таких мер является и знаменитый Киотский протокол, недавно ратифицированный Госдумой и подписанный президентом, несмотря на протесты представителей государственной власти и российской науки. Напомним, что страны-участники протокола обязуются значительно сократить выбросы углекислого и других парниковых газов в атмосферу Земли. Однако в случае России такие ограничения могут привести к замедлению экономического роста страны. А в Российской академии наук вообще считают неверными и необоснованными расчеты, лежащие в основе Киотского протокола. Так что причины ратификации Россией этого документа скорее политические - ведь вместе с Россией участники протокола обеспечивают более 55% выбросов парниковых газов в атмосферу, что означает, что протокол может вступить в силу.
Однако споры вокруг обоснованности Киотского протокола не означают, что проблема парникового эффекта и глобального потепления неактуальна. Напротив, проблема существует и требует оперативного решения. Однако для того, чтобы выработать адекватное решение необходимо знать, какие изменения будут происходить в климате в зависимости от различных воздействий. Без математического моделирования тут не обойтись.
Модели, позволяющие оценить степень климатических изменений в зависимости от различных факторов, разрабатываются во многих странах, в том числе и в России. Наибольших успехов в этой области удалось добиться Институту вычислительной математики РАН (ИВМ РАН). В конце октября институт провел совместную пресс-конференцию с компанией Intel, на которой было рассказано о последних достижениях в области моделирования климатических изменений.
История вопроса
Моделированием климата в России занимаются не первый год. Традиционно задачи по моделированию процессов, связанных с климатом и погодой, занимались в советском, а затем и в российском Гидрометцентре с целью прогнозирования погоды. Однако между прогнозом погоды на несколько дней и прогнозом климатических изменений на сто-двести лет вперед есть существенная разница. Как рассказал на пресс-конференции директор ИВМ РАН академик В.П. Дымников, в обоих случаях для расчета одного состояния требуется учесть несколько миллиардов параметров. В случае прогноза погоды, когда необходимо получить точную информацию о температуре, атмосферном давлении и других параметров в конкретный момент времени и в конкретной точке пространства, даже небольшие флуктуации этих параметров могут привести к ошибкам в прогнозе. Моделирование климата на десятки лет вперед к случайным флуктуациям, как правило, устойчиво, но в то же время модель должна обладать высокой чувствительностью к малым изменениям параметров, способных привести к значительным изменениям в будущем. В частности, к таким параметрам можно отнести изменение концентрации парниковых газов в атмосфере Земли. Единственная модель долгосрочного моделирования климата, способная на равных соперничать с лучшими зарубежными аналогами, создана в ИВМ РАН.
Работа над созданием модели общей циркуляции атмосферы в Институте вычислительной математики начались достаточно давно - еще в конце 1970-х годов. Тогда эта организация называлась "Отдел вычислительной математики АН СССР" и располагалась в Новосибирске. После переезда института в Москву в начале 1980-х работы по разработке модели продолжились. По словам старшего научного сотрудника ИВМ РАН доктора физико-математических наук Евгения Володина, код модели был написан сотрудниками института, но при этом, конечно, использовались и алгоритмы, разработанные в других институтах, нередко зарубежных. Для расчетов по модели использовались самые разные компьютеры. В 1980-х и начале 1990-х годов модель работала на отечественных машинах СВС (этот компьютер близок к БЭСМ-6), на "Эльбрусе-2", позже расчеты были переведены на персональные компьютеры и рабочие станции DEC с чипами Alpha. Затем расчеты модели велись на двухпроцессорном комплексе на процессорах Itanium 2.
Во всех этих случаях расчеты велись на модели, ориентированной на последовательную обработку данных. Разработка нынешнего, параллельного, варианта модели началась относительно недавно - в 2001 году. Тогда в Межведомственном суперкомпьютерном центре был введен в строй суперкомпьютер МВС-1000М, под который и была переработана модель. Процесс написания параллельной версии модели был достаточно сложным - на него потребовалось около двух лет. Кроме этого, в ИВМ РАН столкнулись с проблемой высокой загруженности МВС-1000М. Поэтому расчеты проводились также на 20-процессорном кластере, расположенном в НИВЦ МГУ им. М.В. Ломоносова. Окончательно проблему вычислительной мощности удалось решить с помощью собственного кластера из восьми узлов, каждый из которых включает по два процессора Intel Itanium 2. Именно на этом кластере были получены наиболее важные результаты, касающиеся изменений климата нашей планеты в XXI и XXII веках.
В нынешнем виде модель климата Земли ИВМ РАН представляет собой сложнейшую систему. По словам Евгения Володина, в модели учитываются все основные климатообразующие факторы. "В основе лежит решение трехмерных уравнений гидротермодинамики атмосферы и океана, которые получены из уравнений Навье-Стокса. Это значит, что в каждом узле модельной сетки на каждом шаге по времени рассчитываются компоненты скорости ветра, температура и влажность, а также давление воздуха на поверхности Земли. Решение уравнений происходит конечно-разностным методом," - уточнил Евгений Володин, - "Модель учитывает также так называемые подсеточные процессы, то есть те процессы, характерный масштаб которых меньше размера ячейки модели, но которые влияют на крупномасштабную гидротермодинамику".
К последним относятся прежде всего радиационные процессы. В модели вычисляются источники тепла, связанные с поглощением, отражением и рассеянием солнечной (коротковолновой) и длинноволновой радиации компонентами атмосферы, а также поверхностью Земли. Именно здесь учитывается влияние на климат имеющихся в атмосфере озона, углекислого газа, различных аэрозолей, метана, закиси азота, водяных паров и других веществ.
Наконец, по словам Евгения Володина, "в модели атмосферы учитывается конвекция, конденсация влаги в осадки, а также испарение осадков при падении, развитие различных типов облачности, образование турбулентности в приповерхностном пограничном слое атмосферы, влияние на средний поток распространяющихся гравитационных волн".
При расчете процессов на поверхности суши рассчитывается множество параметров. Это изменение температуры и влажности почвы на различных уровнях до глубины 10 м. При этом во внимание принимаются такие факторы как выпадение и таяние снега, образование мерзлоты, испарение влаги с различных типов почв и с растительности, всасывание влаги корневой системой растений, а также формирование речного стока.
"В модели океана", - рассказывает Евгений Володин, - "как и в случае атмосферы, решаются трехмерные уравнения гидротермодинамики, то есть в каждой точке на каждом шаге по времени вычисляется температура, соленость и компоненты скорости течений. В модели океана учитывается влияние турбулентности при формировании верхнего перемешанного слоя, потоки тепла, влаги и импульса на границе атмосфера-океан. Модель учитывает также возможность образования и таяния морского льда".
Качество модели ИВМ РАН признано как в России, так и за рубежом. Модель участвует в международной программе CMIP (Coupled Model Intercomparison Project), целью которой является сравнение моделей климата по точности воспроизведения современного климата и чувствительности модели к малым внешним воздействиям, таким как изменение содержания парниковых газов. В программе участвуют на настоящий момент около двух десятков моделей из разных стран: США, Германии, Франции, Австралии, Великобритании, Канады, Китая. Сравнение результатов моделирования современного климата показывает, что по основным показателям качество модели ИВМ близко к качеству лучших моделей, участвующих в программе.
О точности моделирования можно судить по сопоставлению данных наблюдений за температурой в период с 1875 по 1995 гг. и расчетами на модели. Такое сопоставление показывает, что модель ИВМ РАН демонстрирует результаты, очень близкие к реальным. В частности, в модели фиксируется замедление роста температуры в 1950-1970 гг. и последовавший за этим быстрый рост.
По словам Евгения Володина, ошибки в воспроизведении среднемесячной климатической температуры вблизи поверхности, а также в атмосфере на высотах до 10 км в основном не превосходят по величине 2 градусов, а ошибки в воспроизведении среднеклиматической скорости ветра - 2 м/с. Присущи модели и некоторые ограничения, имеющиеся, впрочем, и у зарубежных разработок. Например, модели завышают скорость подъема воды на поверхность в приэкваториальном Тихом океане, что приводит к занижению там температуры поверхности океана на 1-3 градуса.
Естественно, что модель продолжит совершенствоваться. Уже в ближайшее время благодаря увеличению количества процессоров в кластере ИВМ РАН можно будет увеличить разрешение модели по пространству. Запланировано и совершенствование самой модели, включение в нее новых блоков. В частности, в модель планируется ввести подсистему расчета углеродного цикла, то есть интерактивный учет источников и стоков парниковых и других газов.
Таяние арктических льдов
Чрезвычайно интересные результаты удалось получить исследователям ИВМ РАН в ходе работ про прогнозированию изменений климата, проводимых под эгидой Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Всего в расчетах по программам МГЭИК участвуют 14 моделей, включая разработку ИВМ РАН. Для оценки возможных климатических изменений МГЭИК предложено несколько глобальных сценариев будущего. В них заложены различные варианты демографического, социально-экономического и технологического развития, которые будут приводить к различной динамике выброса парниковых газов.
Модель ИВМ РАН использовалась для исследования климатических изменений по сценариям В1, А1 и А2. Согласно сценарию А2, увеличение содержания парниковых газов будет расти по экспоненте в течение XXI столетия, а в сценариях А1 и В1 выбросы будут ограничены. В настоящее время в ИВМ РАН просчитаны сценарии А1 и А2. Расчеты производились со скоростью 10 лет модельного времени за сутки времени реального. Блок моделирования атмосферы имел разрешение 5 x 4 градуса по широте и долготе и 21 уровень по вертикали. При моделировании океанических процессов разрешение составило 2,5 x 2 градуса при 33 уровнях по вертикали.
"Согласно самому теплому сценарию среднее потепление у поверхности в 2151-2200 годах по сравнению с 1951-2000 составит около 5 градусов" - пояснил Евгений Володин. - "При развитии по сценарию А1 глобальное потепление составит около 3-3,5 градусов". При этом в России расчете потепления по любому сценарию температура будет расти сильнее, чем в среднем по Земле, что подтверждается и данными других моделей. Кроме того, согласно данным модели, зимой в России потеплеет сильнее, чем летом. "Например, при среднеглобальном потеплении в 3 градуса в России потепление составит 4-7 градусов в среднем за год. При этом, летом потеплеет на 3-4 градуса, а зимой на 5-10 градусов," - отметил Евгений Володин. Зимнее потепление в России будет связано с тем, что немного изменится циркуляция атмосферы. Ветер станет более западным и будет чаще приносить теплый атлантический воздух на континент. Такие изменения климата России заметны уже сейчас. Как пояснил Евгений Володин, зимние месяцы на большей части России за последние 20 лет (1985-2004) были в среднем на 1-3 градуса теплее, чем зимы в предыдущее двадцатилетие (1965-1984), в то время как изменение температуры летом не столь велико и во многих районах не является статистически значимым.
Значительное потепление климата произойдет и в Арктике. Даже по сценарию A1, во второй половине XXII века температура в Арктике вырастет примерно на 10 градусов по сравнению со второй половиной XX века. Не исключено, что уже менее чем через 200 лет полярные льды будут сохраняться лишь зимой, а летом будут таять. Важно отметить и то, что хотя, согласно условиям расчета, в XXII веке выбросы парниковых газов фиксировались на одном уровне, рост температуры на Земле продолжался "по инерции" в течение первых нескольких десятилетий следующего столетия. Значительно - на 4-6 градусов, в соответствии со сценарием A1 - потеплеет в умеренных широтах континентов северного полушария. Наименее сильным будет потепление над океанами в южном полушарии - здесь потеплеет на 2-3 градуса.
Изменение среднегодовой температуры воздуха в 2151-2200 гг. по сравнению с 1951-2000 гг. по данным модели ИВМ РАН (сценарий А1)
Разумеется, в случае реализации сценария A2 потепление будет более сильным. Конечно, стоит понимать, что все эти выводы справедливы лишь применительно к модели. Влияние каких-либо неучтенных факторов или неожиданные воздействия на климат могут как ускорить так и замедлить процесс потепления на Земле. Тем не менее, расчеты еще раз доказывают, что проблема потепления климата не является надуманной и требует решения. И решение это состоит не только в ограничении выбросов парниковых газов - человечество должно быть готовым к изменению климата и по возможности адаптироваться к нему. И данные расчетов ИВМ РАН и других научных организаций здесь очень ценны, так как позволяют оценить масштабы климатических изменений и предсказать их последствия.
