Ученые составляют сложные математические уравнения для моделирования поведения систем Земли

Прогнозы будущего климата Земли или количества осадков в различных регионах мира создаются с помощью глобальных климатических моделей (GCM). По своей сути, GCM — это компьютерная программа, решающая сложные уравнения, математически описывающие взаимодействие и реакцию различных систем, процессов и циклов Земли (атмосферы, биосферы, гидросферы, криосферы) при определенных условиях.

Глобальная модель состоит из подмоделей, которые делятся на два класса: динамику (описывающую атмосферу и океан как жидкости) и физику (описывающую такие процессы, как цикл органического почвенного дыхания углерода). Эти подпрограммы связываются между собой с помощью метода coupling (связывания), для которого ученые разрабатывают дополнительные уравнения, позволяющие компонентам «общаться». Все уравнения основаны на реальных полевых наблюдениях, измерениях и законах физики. Как отмечает климатолог Роб Джейкоб из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), для создания универсальных уравнений критически важны данные со всего земного шара.

Точность подмоделей напрямую зависит от объема полевых данных, сбор которых сопряжен с трудностями. Например, моделирование облаков остается одной из самых сложных задач из-за мелкомасштабной физики и сложности наблюдения полного жизненного цикла облака. При неполных данных моделисты используют аппроксимации, постоянно сверяя прогнозы моделей с наблюдениями. Модель считается «готовой», пока она объясняет все наблюдаемые явления. Это не означает неточности прогнозов — новые расчеты становятся более детализированными. Так, базовый прогноз о росте температуры на 2–4 °C при удвоении выбросов CO₂ остается неизменным годами, а современное моделирование уточняет детали этого估算.

Точность модели также повышается за счет увеличения её разрешения, которое определяется количеством ячеек в расчетной сетке, покрывающей Землю. Чем меньше расстояние между узлами сетки, тем более локализованными будут результаты. Современный стандарт — 50 километров (км). Для повышения разрешения до 25 км или даже 12 км потребуются более мощные суперкомпьютеры, чем существующие сегодня. Высокодетальные климатические модели могут работать только на суперкомпьютерах, таких как Mira в Аргоннском центре высокопроизводительных вычислений (ALCF). Развитие вычислительной техники, например, запуск суперкомпьютера Aurora в 2018 году, который будет в пять раз быстрее современных систем, приближает эру экзафлопсных вычислений и генерации результатов с беспрецедентным разрешением.

В настоящее время ученые по всему миру активно используют около 20–30 GCM. Несмотря на различия в архитектуре, они, как правило, дают сходные результаты. Три из этих моделей были разработаны в США, включая модель, созданную около 20 лет назад совместно DOE и Национальным центром атмосферных исследований (NCAR).