В моделях всегда есть ошибки. Как учёные определяют, какие из них наиболее важны, а какие — слишком велики?

Глобальные климатические модели — это программные гиганты, часто содержащие более миллиона строк кода.

Такие сложные модели неизбежно содержат ошибки, или «баги». Но поскольку результаты моделирования широко используются для разработки климатической политики, важно, чтобы они давали достоверные результаты.

Проске и Мельсен (Proske and Melsen) захотели понять, как специалисты по моделированию климата рассматривают, выявляют и устраняют ошибки. Они опросили 11 учёных и научных программистов из Института метеорологии Общества Макса Планка, работающих над климатической моделью ICON.

По словам опрошенных, при разработке нового кода для ICON он проверяется и тестируется на наличие ошибок перед интеграцией в саму модель.

Однако после интеграции кода тестирование обычно прекращается. Предполагается, что код не содержит ошибок, пока модель не начнёт вести себя странно или программист случайно не обнаружит ошибку, исследуя код по другим причинам. Даже когда модель даёт сбой, это не обязательно означает, что ошибку нужно исправлять, поскольку исследователи всегда идут на компромисс между скоростью и стабильностью модели, а иногда просто выводят модель за пределы того, с чем она может справиться, учитывая эти ограничения.

Отслеживание ошибок и их исправление может занять много времени, поэтому, даже если команда подозревает наличие ошибки, она иногда оценивает её влияние как настолько незначительное, что не требует исправления. Когда исследователи решают исправить ошибку, многие рассматривают этот процесс как продолжение климатологии: они выдвигают гипотезы о том, как ошибка может повлиять на поведение модели, а затем проверяют эти гипотезы, чтобы определить точную природу ошибки и способы её устранения.

Многие опрошенные отметили, что лучший способ избежать ошибок — это тщательно протестировать код перед его интеграцией в полную модель. Существуют инструменты для облегчения тестирования, такие как Buildbot и платформа разработки GitLab, и учёные отметили, что такие инструменты можно было бы более полно использовать в процессе разработки ICON. Однако они также отметили, что существуют неотъемлемые ограничения на то, насколько тщательно исследователи могут тестировать климатические модели, поскольку они не всегда знают, как будет выглядеть стопроцентно точная модель. Таким образом, у них нет базы, с которой они могли бы сравнивать фактические результаты модели.

Хотя опрошенные признали несовершенство модели ICON, они также сочли её «достаточно хорошей» для прогнозирования погоды или ответа на исследовательские вопросы, например, о влиянии повышения уровня углерода в атмосфере на глобальную температуру. Авторы пишут, что, хотя «принцип „достаточности“» прагматичен и понятен, он также может привести к недопониманию, если пользователи не осознают ограничений модели.
(Earth’s Future, https://doi.org/10.1029/2025EF006318, 2025)

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/when-is-a-climate-model-good-enough

Поверхностные воды континентального шельфа считаются источником переменного, но увеличивающегося стока углекислого газа (CO₂) из ​​атмосферы, однако механизмы, контролирующие этот рост стока, неясны. Авторы установили, что зимний ветровой газообмен CO₂ между атмосферой и океаном и ветровое перемещение воды на шельфовые моря (или с них) согласуются с тенденцией к поглощению CO₂ в атмосфере многими шельфовыми морями. Анализ, основанный на 20-летних наблюдениях, показывает, что геострофические, ветровые и волновые течения вносят свой вклад в скорость движения воды на поверхностных шельфовых волнах, но преобладание каждого из них зависит от местоположения и сезона. Анализ этих потоков для четырнадцати шельфовых морей на основе их 20-летнего долгосрочного градиента парциального давления углекислого газа в системе «воздух-море» (их тенденция поглощения CO₂ в атмосфере) выявляет значимые связи между тенденцией поглощения и зимними (r² = 0,72 ± 0,03, p < 0,01, n = 14) и осенними (r² = 0,57 ± 0,05, p < 0,01, n = 14) ветровыми поверхностными потоками. Эти сигналы наиболее сильны зимой, но результаты согласуются в годовых масштабах. Включение зимнего ветрового газообмена CO₂ в системе «воздух-море» ещё больше усиливает этот результат, и в совокупности они описывают 82% дисперсии данных о тенденции поглощения CO₂ в атмосфере (r² = 0,82 ± 0,06, p < 0,01, n = 14). Полученные результаты показывают, что долгосрочные ветровые потоки воды и поверхностный газообмен являются ключевыми механизмами, контролирующими их химическую эволюцию и роль в поглощении CO₂. Эти данные, основанные на наблюдениях, подчёркивают необходимость изучения этих ветровых процессов в рамках методов, используемых для прогнозирования или понимания состояния карбонатной системы «континентальный шельф – море» и здоровья океана.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GB008461

В данной работе пространственные вариации трендов уровня моря, полученные по данным альтиметра, сравниваются с современными (1993–2014 гг.) и будущими трендами динамики уровня океана, полученными по данным современных климатических моделей. Анализируется ансамбль мультиклиматических модельных исторических расчётов в рамках CMIP6 (n = 560), и в глобальной картине динамики уровня океана по всему ансамблю обнаружено мало совпадений. Хотя в некоторых расчётах региональные тренды динамики уровня океана близки к данным альтиметра, ни одна из них не соответствует глобально (максимальная глобальная корреляция составляет 0,47, а диапазон 5%–95% от −0,20 до 0,26), и одновременное сопоставление с данными альтиметра в тропических и северных районах Тихого океана, а также в тропических и северных районах Атлантического океана представляет собой особую сложность. В данном исследовании основное внимание уделяется различиям между отдельными историческими расчётами и роли внутренней изменчивости, внешних воздействий и структурных факторов в формировании этих различий. Обнаружена тесная связь между закономерностями трендов температуры поверхности моря и трендами уровня моря, и оба они могут быть связаны с траекториями общих мод изменчивости атмосферы и океана с центрами действия в Индийском океане, тропической и северной части Тихого океана. Используя моделирование доиндустриального контроля, авторы определили, где внешнее воздействие вызывало и будет вызывать локальные (т. е. на уровне узлов сетки) динамические тренды уровня моря, которые значимы относительно внутренней изменчивости. В настоящее время (1992–2023 гг.) климатические модели предполагают, что динамические тренды уровня моря океана на площади около 15% от общей площади океана значимы относительно внутренней изменчивости, причём это величина увеличится до 37% к 2050 году в сценарии с высоким уровнем выбросов (33% в сценарии с низким уровнем выбросов).

Ссылка: https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/38/20/JCLI-D-24-0336.1.xml

Новый анализ связывает пыль в пустыне с замерзанием облаков, что имеет важные последствия для моделей погоды и климата.

Пыль играет важную роль в образовании льда в атмосфере. Новый анализ спутниковых данных, опубликованный в журнале Science, показывает, что пыль может вызывать замерзание капель воды в облаках при более высоких температурах, чем в обычных условиях. Это открытие позволяет применить результаты лабораторных наблюдений к масштабам атмосферы и может помочь климатологам лучше моделировать будущие изменения климата.

В 1804 году французский учёный Жозеф Луи Гей-Люссак поднялся над Парижем на высоту около 7000 метров на водородном воздушном шаре без дополнительного кислорода, чтобы собрать пробы воздуха. Он отметил, что облака с большим количеством пылевых частиц, как правило, содержат больше замёрзших капель.

В XX веке учёные обнаружили, что чистая вода может оставаться жидкой даже при охлаждении до −34,5 °C. Но как только в атмосферу попадает даже крошечное количество материала, такого как пыль, она замерзает при гораздо более высоких температурах.

В 2012 году немецкие исследователи наконец смогли проверить это напрямую в эксперименте с камерой Вильсона. Они воссоздали условия облачности в лаборатории, добавили различные виды пустынной пыли и постепенно охлаждали камеру, чтобы наблюдать за температурами, при которых замерзали капли.

Для Диего Вильянуэвы (Diego Villanueva), изучающего атмосферу учёного из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария) и ведущего автора нового исследования, поразительно, что учёные обнаружили эти процессы в лаборатории, но никто не исследовал их так подробно в природе.

Сложности были очевидны. Чтобы наблюдать за зарождением кристалла льда, исследователям понадобились бы приборы на самолёте или воздушном шаре, чтобы поймать микрометровую каплю в облаке в нужный момент. «Это как кот Шрёдингера», — сказал Даниэль Кнопф (Daniel Knopf), учёный из Университета Стоуни-Брук, не принимавший участия в исследовании. «Либо это кристалл льда, либо это капля жидкости».

В новом исследовании Виллануэва и его коллеги проанализировали 35-летние спутниковые данные о верхних слоях облаков во внетропических зонах Северного полушария — регионе, охватывающем Средний Запад США, юг Канады, Западную Европу и северную Азию. Исследователи хотели выяснить, влияет ли пыль на то, будут ли верхние слои облаков жидкими или ледяными. Они сосредоточились на верхних слоях облаков, а не на облаках целиком, просто потому, что они видны на спутниковых снимках.

Пыль пустыни и холодные облака

Вильянуэва и его коллеги изучили два набора спутниковых данных за период с 1982 по 2016 гг., пытаясь выявить микроскопические детали верхней части облаков, такие как количество ледяных кристаллов или размер капель. Один набор данных отслеживал, были ли верхние слои облаков жидкими или ледяными, а другой одновременно измерял количество пыли в воздухе. Хотя группа изучала глобальные закономерности, они сосредоточились на северном внетропическом поясе, где распространены облака смешанной фазы и где циркулируют большие объёмы пыли из пустынь, таких как Сахара и Гоби.

Но «качество набора данных было настолько низким, что все полученные данные представляли собой, по сути, просто шум», — добавил Вильянуэва. В итоге исследователи сосредоточились на более простой детали: доле облаков со льдом в верхней части. «На это у меня ушло почти 3 года», — сказал Вильянуэва.

Анализ показал, что в регионах с большим количеством пыли больше облаков с ледяными вершинами. Этот эффект был наиболее выражен летом, когда пустынные ветры поднимают больше всего пыли.

Выявилась характерная закономерность: десятикратное увеличение количества пыли примерно удвоило вероятность замерзания верхних частей облаков. «Чтобы заморозки стали наблюдаться в четыре раза чаще, нужно в 100 раз больше пыли», — пояснил Вильянуэва.

Новая работа показала, что те же процессы, которые исследователи наблюдали в микромасштабах в лабораториях, происходят в атмосфере Земли в гораздо больших масштабах. Даже с учётом влажности и движения воздуха пыль оставалась ключевым фактором зарождения льда в большинстве случаев, хотя есть и исключения. В некоторых местах, например, над Сахарой, несмотря на присутствие пыли, облаков образуется мало, возможно, предполагают авторы, потому что движение больших объёмов горячего воздуха предотвращает замерзание.

«Я считаю исследование довольно элегантным», — сказал Кнопф. Он пояснил, что сбор спутниковых данных за 35 лет, выявление связи между уровнями пыли и скоростью образования замёрзших облаков на верхней границе, а затем демонстрация её идеального соответствия лабораторным экспериментам — это, по сути, «гвоздь в крышку гроба» доказательства роли пыли в зарождении льда. Теперь у учёных есть надёжные спутниковые данные о непосредственном влиянии пылевых аэрозолей на замерзание облаков, что соответствует предсказаниям лабораторных экспериментов.

Это открытие имеет значение для моделирования климата. Чтобы точнее предсказывать последствия изменения климата, модели должны учитывать пыль и то, как она влияет на замерзание облаков и формирование осадков. Облака с жидкими верхушками отражают больше солнечного света и охлаждают планету, в то время как облака с ледяными верхушками пропускают больше солнечного света и удерживают тепло.

Однако Кнопф отметил, что предстоит ещё многое сделать, чтобы точно понять, что новые наблюдения означают для понимания климата учёными. «Если вы хотите точно знать количество осадков или влияние [пыли] на климат, вам действительно нужно знать количество жидких капель или количество ледяных кристаллов», — сказал он.

Вильянуэва намерен продолжать изучать облака и аэрозоли. В ближайшие 10–20 лет поверхность Земли может стать суше из-за изменения климата, что, вероятно, приведёт к увеличению количества пылевых аэрозолей в атмосфере. Он добавил: «Я хочу знать, как облака отреагируют при таком сценарии».

Ссылка: https://eos.org/articles/dust-is-the-skys-ice-maker

Межгодовая дисперсия продуктивности сельского хозяйства является важным фактором продовольственной безопасности. В предыдущих глобальных исследованиях отмечалась повышенная волатильность урожайности в результате потепления, но становится всё более очевидным, что изменения в доступности воды также являются ключевым фактором, определяющим урожайность. В настоящей работе авторы впервые в мире количественно оценили влияние изменения климата на дисперсию урожайности кукурузы, сои и сорго, обусловленную изменениями температуры и влажности почвы. Сочетание эмпирической модели сельскохозяйственных культур с моделированием в рамках CMIP6 показывает, что изменения температуры и влажности почвы увеличивают межгодовую дисперсию урожайности, обусловленную погодными условиями, на 7–19 %/°С для разных культур. Это увеличение примерно в равной степени обусловлено ранее количественно оценённым увеличением дисперсии температурного стресса, а также увеличением ковариации между температурным стрессом и стрессом, связанным с влажностью почвы. Результаты, полученные с помощью простой модели поверхности суши, согласуются с результатами, полученными с помощью моделирования в проекте CMIP6, указывая на то, что эта возросшая ковариация обусловлена ​​тем, что благодаря более тёплому воздуху почва быстрее высыхает, а сухие почвы способствуют большему потеплению.

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady3575

Продукты реанализа океана всё чаще используются в полярных исследованиях, однако их применимость в Арктике требует обновления оценки в связи со значительными достижениями последних пяти лет. В данном исследовании представлена сравнительная оценка эффективности девяти продуктов реанализа океана с использованием наборов данных наблюдений с акцентом на ключевые параметры океана и морского льда. Результаты показывают, что все продукты реанализа эффективно отражают межгодовые и сезонные изменения температуры поверхности моря. Среди них ряды CORA и C-GLORSv7 хорошо отражают вертикальные изменения температуры океана, в то время как CORAv1.0 и GREPv2 демонстрируют выдающиеся возможности в характеристике теплосодержания океана. Солёность поверхности моря демонстрирует положительное смещение во всех продуктах, при этом TOPAZ4 достигает наименьшей среднеквадратической ошибки и наибольшего коэффициента корреляции как для солёности поверхности моря, так и для содержания соли в океане. TOPAZ4 хорошо работает на глубине 0–100 м, GLORYS2V4 на глубине 100–300 м, ORAS5 и GREPv2 как на глубине 0–100 м, так и на глубине 100–300 м, а C-GLORSv7 хорошо фиксирует вертикальную среднюю солёность океана на глубине 300–3000 м. Продукты океанического реанализа, как правило, показывают отрицательные аномалии глубины смешанного слоя, при этом ORAS5 превосходит другие. Продукты показывают устойчивую тенденцию к сокращению морского льда, согласующуюся с данными спутниковых наблюдений ESACCI. Данные GREPv2 и ORAS5 исключительно хорошо отражают концентрацию и протяжённость морского льда. Пространственное распределение средней кромки льда в сентябре подчёркивает выраженное отступление морского льда к полюсу, при этом Северный морской путь стал полностью судоходным в последние годы. Кроме того, TOPAZ4 близко соответствует данным спутниковых наблюдений CS2SMOS.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-025-07842-1

В условиях ускорения изменения климата эффективный мониторинг и управление растущим воздействием на биоразнообразие становятся первостепенной задачей. В данной работе авторы определяют воздействие беспрецедентной жары на виды, чтобы оценить потенциальное воздействие 2024 года — самого жаркого года в истории наблюдений — на более чем 33 000 видов позвоночных по всему миру. Каждый шестой вид (5368) подвергся воздействию беспрецедентной жары на более чем 25% своего ареала, что на 68% больше видов, чем в 2023 году. Большинство видов (81%), подвергшихся воздействию в 2023 году, также подверглись воздействию в 2024 году, что потенциально усугубляет риски. Впервые широко распространённые виды подверглись воздействию экстремальных температур на более чем 10% своего ареала. Авторы предлагают использовать эти оценки воздействия для информирования о мерах по мониторингу и смягчению антропогенного изменения климата, чтобы избежать наихудших последствий.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2504945122

За последнее десятилетие Китай внедрил строгие меры по борьбе с загрязнением воздуха, однако эффективность контроля основных источников чёрного углерода — аэрозолей, вредных как для климата, так и для здоровья, — остаётся неясной. Используя десятилетний двухизотопный метод измерения углерода (δ¹³C–Δ¹⁴C), данное исследование количественно отслеживает основные источники чёрного углерода в Южном Китае и оценивает точность инвентаризации выбросов методом «снизу вверх». Авторы обнаружили существенное сокращение выбросов чёрного углерода от сжигания угля, нефти и биомассы, но также показали, что доля сжигаемой биомассы в общем объёме чёрного углерода составляет от 20 до 30%, что значительно превышает оценки инвентаризации выбросов. Эти результаты свидетельствуют о систематической недооценке доли чёрного углерода, образующегося из биомассы, в текущих инвентаризациях, что подчёркивает необходимость интеграции моделей инвентаризации выбросов с атмосферными наблюдениями для более эффективного контроля загрязнения воздуха и разработки политики в области климата.

Аэрозоли чёрного углерода усугубляют загрязнение воздуха и потепление климата, но их климатические воздействия и источники плохо ограничиваются кадастрами выбросов в подходе «снизу вверх». Программа действий «Чистый воздух» Китая, запущенная в 2013 году, предоставляет прекрасную возможность для изучения межгодовых изменений в источниках и подтверждения точности инвентаризации выбросов. Здесь представлены 11-летние (2008–2018 гг.) записи концентрации чёрного углерода и его диагностических радиоуглеродных (¹⁴C) и стабильных изотопов углерода (¹³C) сигнатур на участке-рецепторе в регионе дельты Жемчужной реки в Южном Китае. Результаты показали, что реализация программы «Чистый воздух» (2014–2018 гг.) привела к снижению концентрации чёрного углерода на 41% по сравнению с периодом до принятия мер (2008–2013 гг.). Существует большое и системное расхождение в течение всего периода во вкладе сжигания биомассы в содержание чёрного углерода в Южном Китае между прогнозами, полученными с помощью технологических инвентаризаций выбросов (от 4 до 9%) и этими диагностическими двойными изотопными отпечатками фактических окружающих аэрозолей (от 21 до 32%). Ограничения наблюдений, накладываемые диагностическими измерениями изотопов δ¹³C/Δ¹⁴C, показали, что сокращение сжигания биомассы способствовало 22% снижению концентрации чёрного углерода, связанному с программой «Чистый воздух», тогда как прогнозы инвентаризации выбросов определили гораздо меньшую долю. Эти результаты подчёркивают необходимость диагностики изменения источников выбросов чёрного углерода на основе наблюдений. Детальное распределение источников с использованием независимой методологии изотопов δ¹³C/Δ¹⁴C имеет решающее значение для уточнения стратегий контроля загрязнения воздуха и повышения точности моделей, используемых для оценки качества воздуха и воздействия чёрного углерода на климат в Китае и других странах.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2500843122

Глобальное потепление представляет серьёзную угрозу для почвенных экосистем, включая микробное разнообразие почвы. Это разнообразие необходимо для поддержания таких функций экосистем, как секвестрация почвенного органического углерода, ключевого компонента смягчения антропогенного изменения климата. Представленный глобальный метаанализ показывает, что потепление значительно снижает разнообразие бактерий и грибов, причём последствия особенно выражены при длительном потеплении и в почвах с низким содержанием питательных веществ. Это снижение микробного разнообразия ставит под угрозу функционирование почвенных экосистем, включая способность секвестрировать почвенный органический углерод, что потенциально создаёт обратную связь, ещё больше ускоряющую потепление. Эти результаты указывают взаимосвязь судеб микробных сообществ и почвенного органического углерода, подчёркивая настоятельную необходимость интеграции сохранения микробного биоразнообразия в стратегии смягчения антропогенного изменения климата и управления экосистемами.

Микробное разнообразие почвы имеет решающее значение для поддержания продуктивности экосистем и улучшения секвестрации углерода. Глобальная температура продолжает расти, но то, как потепление климата влияет на микробное разнообразие и его способность секвестрировать органический углерод почвы, остаётся неясным. В данной работе путём проведения глобального метаанализа с 251 парным наблюдением из 102 исследований авторы показали, что в среднем потепление снизило бактериальное и грибковое разнообразие (измеренное по богатству и индексу Шеннона) на 16,0 и 19,7% соответственно, а содержание органического углерода почвы — на 18,1%. Отрицательная реакция как бактериального, так и грибкового разнообразия почвы на потепление становилась более выраженной с усилением потепления, продолжительности эксперимента и снижением доступности азота в почве. При наихудшем сценарии потепления климата (2010-2070 гг., повышение температуры на 3,4 °C) прогнозируется сокращение бактериального и грибкового разнообразия почвы на 56% и 81% соответственно в течение 60 лет. Важно отметить, что в дополнение к прямому влиянию потепления на органический углерод почвы вызванное потеплением снижение микробного разнообразия также способствовало потерям органического углерода почвы. Подчёркивается, что продолжительное потепление может существенно сократить микробное разнообразие почвы и уменьшить секвестрацию органического углерода почвы, ускоряя будущее потепление и указывая на настоятельную необходимость решительных действий по смягчению глобального антропогенного изменения климата.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2426200122

В 2023 году температура поверхности моря достигла рекордных значений, отчасти из-за сильного явления Эль-Ниньо. Исходя из исторических данных о повышении средней глобальной температуры поверхности моря, поглощение CO₂ океаном в 2023 году должно было увеличиться (−0,11 ± 0,04 ПгС год⁻¹) за счёт снижения дегазации в тропической части Тихого океана. Однако, используя оценки летучести CO₂ в океане, основанные на наблюдениях, авторы показали, что глобальный неполярный океан поглотил примерно на 10% меньше CO₂, чем ожидалось (+0,17 ± 0,12 ПгС год⁻¹). Это ослабление было вызвано аномальной дегазацией CO₂ в субтропических и субполярных регионах, особенно в Северном полушарии, вызванной, главным образом, повышением температуры поверхности моря, снижающим растворимость CO₂. В большинстве регионов эта дегазация, вызванная повышением температуры поверхности моря, была смягчена истощением растворённого неорганического углерода в поверхностном перемешанном слое. Такие отрицательные обратные связи привели к общей сдержанной реакции океанического стока углерода на рекордно высокие температуры поверхности моря, но эта устойчивость может не сохраниться при долгосрочном потеплении или более экстремальных значениях температуры поверхности моря.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-025-02380-4