Модель с такой же высокой детализацией, как для краткосрочных прогнозов погоды, достигает новой точности.

Несмотря на всю свою полезность для прогнозирования глобального потепления, климатические модели, как правило, рисуют будущее широкими мазками, как художники-импрессионисты. Это обусловлено необходимостью: для моделирования сотен лет за разумное количество компьютерного времени модели делят атмосферу на эквиваленты крупных пикселей, размером 100 километров, прежде чем решать уравнения гидродинамики для каждого из них. Однако эта грубость приводит к неточности прогнозов, особенно когда речь идёт о неоднородных явлениях, таких как волны тепла и ливни, которые сильно зависят от того, что происходит в более мелком масштабе.

Новый проект высокоточного моделирования MESACLIP, реализуемый в течение последних пяти лет с большими вычислительными затратами, позволяет более точно сфокусироваться на будущем Земли, моделируя перемешивание атмосферы и океана на уровне детализации, сопоставимом с масштабом прогнозов погоды. Проект выявляет повышенные риски для таких регионов, как побережье Мексиканского залива и прибрежная Калифорния, где экстремальные осадки могут происходить гораздо чаще, чем традиционно прогнозируется. Тенденции, опубликованные сегодня в журнале Nature Geoscience, демонстрируют преимущества моделей высокого разрешения, которые лучше отражают изменения ветрового режима, приводящие к ливням.

«Сейчас становится ясно, что [традиционные] модели не отражают истинных последствий изменения климата», — говорит Даг Смит (Doug Smith), климатолог из Метеорологического бюро Великобритании, который предупреждает, что пробелы в прогнозировании ветрового режима могут привести к неожиданностям. MESACLIP может начать устранять этот пробел, добавляет он. «Их результаты чрезвычайно интересны. Они начинают подтверждать наши предположения».

MESACLIP делит атмосферу на квадраты с шагом 25 километров, а верхний слой океана – на сетку с шагом 10 километров. Высокое разрешение не является чем-то новым. Однако предыдущие исследования, как правило, фокусировались на ограниченном регионе или ограниченном промежутке времени, всего на годы или десятилетия вперёд, и обычно повторяли сложные вычислительные расчёты всего несколько раз. MESACLIP отличился тем, что проводил глобальное моделирование, начатое в 1900 году и рассчитанное до 2100 года для нескольких сценариев выбросов парниковых газов. Для некоторых из этих сценариев моделирование повторялось 10 раз с немного разными начальными условиями, чтобы создать «ансамблевой» прогноз, лучше отражающий естественные колебания.

Конечный результат, полученный за 900 дней вычислительного времени на машинах, включая Derecho, новейший суперкомпьютер Национального центра атмосферных исследований (NCAR), составил 4500 лет моделирования, что дало 6 петабайт данных. По словам Дженнифер Кей (Jennifer Kay), специалиста по атмосфере из Университета Колорадо в Боулдере, этот подвиг будет сложно превзойти. «Высокое разрешение — всё ещё сложный аргумент, поскольку оно очень дорогое».

MESACLIP лучше большинства других моделей воспроизводит изменения, которые мир наблюдал за последнее столетие. Результаты соответствуют историческим данным о температуре океана и воздуха, чего многие климатические модели долгое время пытались добиться. Они также лучше улавливают холодные языки восходящих вод и вихревые течения в океане, которые, как считается, играют важную роль в регуляции ветрового режима. И они гораздо точнее имитируют наблюдаемые сегодня экстремальные осадки. «Мы правы по правильным причинам», — говорит Пин Чан (Ping Chang), океанограф из Техасского университета A&M, участвовавший в разработке.

Такая точность воспроизведения прошлого даёт учёным MESACLIP большую уверенность в будущих прогнозах модели, и некоторые из них вызывают тревогу. В пессимистическом сценарии, согласно которому выбросы углерода достигнут пика в 2080 году, ежедневное количество экстремальных осадков над сушей может увеличиться на 37% к 2100 году. Более тёплый воздух удерживает больше влаги, но эта тенденция не может полностью объяснить пропитывание. По словам Чанга, большая часть этого увеличения была вызвана изменениями ветровой активности, которые привели к образованию цепей сильных гроз длиной в сотни километров, неучитываемых традиционными моделями.

MESACLIP также воссоздал ураганы и длинные полосы облаков, питаемых океаном, называемые атмосферными реками. По словам Давиде Фаранды (Davide Faranda), климатолога из Института Пьера-Симона Лапласа, полученные результаты могут подкрепить усилия по объяснению этих экстремальных погодных явлений глобальным потеплением. «Я думаю, нам нужно стремиться к такому масштабу», — говорит он.

Прогнозы регионального изменения климата также должны быть улучшены. Эти прогнозы часто основывались на моделях высокого разрешения, применяемых к относительно небольшим регионам — размером с Европу или Техас. Они также предполагали, что в будущем ожидается более сильное выпадение осадков. Но их прогнозы столкнулись со скептицизмом, поскольку модели получали информацию на своих границах из более грубых глобальных моделей, говорит Флавио Ленер (Flavio Lehner), климатолог из Корнеллского университета. «Это другое».

Импульс к проекту MESACLIP возник почти десять лет назад, когда Чанг захотел изучить, как океанские вихри могут влиять на развитие атмосферных рек. Вначале он и его коллеги решили использовать вариант первой версии модели CESM (Community Earth System Model), разработанной в NCAR. Вариант CESM требовал меньше вычислительных ресурсов, что позволило Чангу и его коллегам запускать его с гораздо более высоким разрешением, привлекая коллег из Китая, у которых был доступ к свободному времени на китайских суперкомпьютерах.

Но через несколько лет и после первых многообещающих результатов Техасский университет A&M закрыл проект из-за проблем национальной безопасности, лишив Чанга возможности сотрудничать с китайскими коллегами. Поэтому Чанг и его коллега, руководитель, Гокхан Данабасоглу (Gokhan Danabasoglu,), океанограф из NCAR, обратились к Программе исследований Мексиканского залива, финансируемой British Petroleum после разлива нефти Deepwater Horizon и реализуемой Национальными академиями наук, инженерии и медицины. Программа нуждалась в моделировании высокого разрешения для прогнозирования повышения уровня моря вдоль побережья Мексиканского залива, и грант покрыл огромные вычислительные затраты, необходимые для MESACLIP.

Другие климатологи стремятся получить данные проекта, несмотря на сложности с доступом к этому огромному массиву данных. Они стремятся изучить другие уроки о будущем Земли, которые могут скрываться в этих данных. Например, в отличие от обычных климатических моделей, несколько запусков MESACLIP воспроизвели загадочное похолодание, наблюдавшееся в Южном океане и восточной части Тихого океана за последние несколько десятилетий. Модель предполагает, что это связано с озоновой дырой над Антарктидой, которая охладила стратосферу и усилила завывающие ветры вокруг Южного океана. В результате похолодание океана может в конечном итоге распространиться вплоть до тропиков.

Модель также, по-видимому, лучше отражает быстрое потепление Арктики, вероятно, потому, что она правильно отображает потоки тёплой воды через Берингов пролив, критический узкий проход между Тихим и Северным Ледовитым океанами, говорит Чанг. И она предоставляет обнадеживающие новости об Атлантической меридиональной циркуляции, конвейере течений, которые нагревают Европу и секвестрируют углерод в пучину, которая, как предсказывают некоторые модели с более низким разрешением, может разрушиться по мере глобального потепления. MESACLIP предполагает, что она более устойчива, говорит Данабасоглу.

Результаты настолько многообещающие, что NCAR теперь сделал своим приоритетом запуск своей новейшей и третьей версии флагманской модели CESM3 с аналогичным высоким разрешением. Но Данабасоглу говорит, что крайне важно повторить расчёты в этом разрешении с климатическими моделями, разработанными другими центрами. Только тогда он и его коллеги начнут понимать, является ли их улучшенный прогноз разовой аномалией — или реальностью.

 

Ссылка: https://www.science.org/content/article/high-resolution-climate-model-forecasts-wet-turbulent-future