Исследователи улучшают моделирование глубокой влажной конвекции для точного прогнозирования последствий изменения климата

Симуляции глубокой влажной конвекции необходимо проводить с пространственным разрешением сетки менее 2 километров, чтобы точно предсказывать последствия изменения климата.

Глубокая влажная атмосферная конвекция контролирует развитие крупных погодных систем, таких как ураганы, управляет глобальным переносом энергии в климатической системе и сильно влияет на неопределённость прогнозируемых климатических изменений. По мере роста вычислительных мощностей прямое моделирование облачных процессов в рамках климатических моделей становится всё ближе. Ёсиаки Миямото, Хирофуми Томита и их коллеги из Института вычислительных наук RIKEN показали, что для реалистичного воспроизведения критических особенностей облачной конвекции модели в конечном итоге потребуется запускать с разрешением сетки не грубее 2 километров.

Если моделирование облаков не улучшится, неопределённости останутся неприемлемо высокими для многих актуальных вопросов, таких как реакция региональных осадков и глобальной средней температуры на рост концентрации парниковых газов. Однако, несмотря на десятилетия исследований, роль облаков в меняющемся климате остаётся неясной, что во многом отражает разрыв между процессами в облаках, действующими в масштабе отдельных капель воды, и разрешением в 50–100 километров, используемым во многих симуляциях будущего климата.

Миямото и его коллеги показали, что промежуточное разрешение можно использовать для моделирования глубокой влажной конвекции, что даёт чёткую цель для будущего развития климатических моделей. Команда смоделировала 12 часов глобальных облачных процессов с помощью негидростатической икосаэдрической атмосферной модели (NICAM) при разрешении сетки от 0,87 до 14 километров. Они обнаружили, что симуляции с разрешением 0,87 километра воспроизводят процессы глубокой влажной конвекции — от отдельных субкилометровых конвективных ячеек до деталей тропических циклонов протяжённостью в сотни километров.

При разрешении грубее 2 километров теряются ключевые особенности облаков. «В реальном мире конвекция чрезвычайно изменчива, а облака имеют широкие градиенты плотности водяного пара и вертикальной скорости», — говорит Миямото. «Более грубые сетки создают нереалистично резкие переходы в свойствах облаков, что негативно сказывается на реалистичном представлении связанных процессов, таких как конденсация и осадки».

Новые теоретические идеи также могут возникнуть из работы команды. «Наше открытие, что конвективные особенности резко меняются при разрешении в 2 километра и более, открывает новые пути для исследования взаимодействий между конвекцией и глобальной атмосферной циркуляцией, которые были бы невидимы при более грубых разрешениях».

Достижение цели в 2 километра будет сложной задачей. Даже с постоянно растущей вычислительной мощностью моделирование климата с разрешением 2 километра на период в несколько лет, не говоря уже о следующем столетии, вероятно, станет возможным через десятилетие или более. Другой вариант, по словам Миямото, — моделировать ограниченную область с шагом 2 километра внутри более грубой глобальной сетки.