SK

Klimatológia - experimentálna stratégia II

Projekt climateprediction.net zahrňuje tri separátne experimenty (podrobnosti sú uvedené nižšie).

Všetky experimenty majú tri hlavné časti:

1. množiny počiatočných podmienok  

2. množiny fyzikálnych rozptylov  

3. vnútenia  

Množiny počiatočných podmienok zahrňujú ten istý model, s rovnakými vnúteniami, počítaný v množstve rozdielnych počiatočných dát. Pretože klimatický systém je chaotický, nepatrné zmeny vo veličinách, takých ako teplota, vietor, a vlhkosť na jednom mieste, môžu viesť k veľmi rozdielnym cestám pre systém ako celok. Môžeme pracovať v blízkosti nich, kompenzovaním viacerými výpočtami spustenými s nepatrne rozdielnymi počiatočnými podmienkami, a potom sledovať vývoj skupiny ako celku. To je podobné tomu, čo by sme robili pri predpovedi počasia.

Množiny fyzikálnych rozptylov tvoria hlavné vedecké zameranie celého projektu. Moderné klimatické modely robia dobrú prácu simulovania mnohých rozsiahlych čŕt dnešnej klímy. Avšak, tieto modely obsahujú veľké počty nastaviteľných parametrov ktoré sú známe, jednotlivo, aby mali významný vplyv na simulovanú klímu. Hoci mnohé z nich sú dobre viazané pozorovaniami, je mnoho tých, ktoré podliehajú značnej neistote. Nepoznáme rozsah, v ktorom rozdielne voľby nastavení parametrov alebo vzorcov môžu poskytnúť rovnako realistické simulácie podnebia 20. storočia, ale rozdielnu predpoveď pre 21. storočie. Najdokonalejšia cesta k vyšetreniu tejto neistoty je počítať masívnu množinu experimentu, v ktorej kombinácia každého závažného parametra je vyšetrená. Teda porušená fyzikálna množina je hlavná črta climateprediction.net projektu. 

Vnútenia sú veci, ktoré riadia klimatický systém. Chaotická variabilita cielená v množine počiatočných podmienok vďačí za interné faktory v klimatickom systéme, pokiaľ veci také ako solárna premenlivosť, vnucovanie sulfátov (sopečných, atď. ) a skleníkových plynov sú považované za externé vzhľadom ku klimatickému systému. Voláme ich vnútenia, pretože ovplyvňujú systém z vonka: ak sa tieto veci zmenia, očakávame odpoveď klimatického systému. [Ak Slnko produkuje viac energie, očakávali by sme ohriatie Zeme, napríklad.]

Stratégia climateprediction.net k dosiahnutiu prvotného cieľového predvídania možnej budúcnosti stavov podnebia je založená na nasledujúcich troch krokoch:

Krok	Cieľ	Metodológia
Experiment 0 Pilotný experiment na kontrolu realizovateľnosti distribuovaného výpočtu [viac]	Určiť, ktorý fyzikálny HadSM3 model poskytuje najlepšiu / akceptovateľnú simuláciu súčasnej klímy so stanovenou dnešnou teplotou oceánskeho povrchu.	Prevádzkovať model atmosféra - oceánska doska s rôznou fyzikou na kontrolu modelovej simulácie súčasnej klímy. Tento experiment zodpovedá príprave spustenia experimentu 1.
Experiment 1 Model skúmajúci citlivosť na fyzikálne parametre [viac]	Určiť vhodné parametre a rozsahy pri použití HadSM3 modelu.	Realizovať množinu simulácií s poruchami robenými v niekoľkých parametroch. Každá simulácia obsahuje 3 kroky: vytvorenie modelu (15 rokov) riadenie modelu (15 rokov) beh dvojnásobného CO2 (15 rokov)
Experiment 2 Model skúmajúci citlivosť na počiatočné podmienky, historické vnútenia [viac]	Ohodnotiť schopnosť predpovedného modelu pri tvorbe pravdepodobnostnej "predpovede" minulej klímy pri použití HadCM3 modelu.	Vytvoriť množinu simulácií spätných predpovedí pre periódu 1920-2000 pri rušivých počiatočných podmienkach, a behu rozsahu historických vnucovaní. Porovnať výstupy modelu so záznamami pozorovaní pre vyhodnotenie ako správne model pracuje.
Experiment 3 Projekt climateprediction.net na skúmanie možného budúceho stavu klímy [viac]	Vytvoriť pravdepodobnostnú predpoveď klímy budúcnosti pri použití HadCM3 modelu.	Vytvoriť množinu predpovedných simulácií pre periódu 2000-2080 pri rušivej fyzike modelu, behu množiny počiatočných podmienok a behu rozsahu možných budúcich limitov slnečných, sírových a skleníkových plynov.

Tento experiment používa model atmosféra - oceánska doska (viď experiment 1) k simulovaniu súčasnej klímy. Parametre budú premenlivé pre skúmanie citlivosti. Hlavný cieľ je skontrolovať realizovateľnosť distribuovaného výpočtu a dostať spätnú väzbu od vás (učenie sa zo skúseností).

[Poznámka: Tento už bol dokončený.]

Tento experiment je trochu jednoduchší než model atmosféricko-oceánskej globálnej cirkulácie (atmosphere-ocean global circulation model - AO-GCM), ktorý bude používaný v hlavnom vydaní climateprediction.net. Stále má úplnú atmosféru, ale vyjadrenie oceánu bude zjednodušené iba na jednoduchú vrstvu. Toto je známe ako "slab" model. Nie je až tak užitočný pri predpovedaní budúcej klímy, pretože "oceán" môže odpovedať len veľmi obmedzeným spôsobom. Avšak, je veľmi užitočný pre vyšetrovanie citlivosti modelu na zmeny v atmosférických parametroch. Pretože nemá úplný oceánsky model, reaguje oveľa rýchlejšie na zmeny vo faktoroch takých ako hodnoty skleníkových plynov. Znalosti o citlivosti modelu, ktoré sa získajú z tohoto experimentu budú použité pre návrh riadneho climateprediction.net experimentu. Perturbáciou parametrov, ktoré riadia fyzikálne procesy modelov (také ako oblačné systémy), je možné vidieť rozdielne realizácie klimatických zmien.

Ako v hlavnom experimente, každý model bude unikátny, pretože každý bude mať rozdielne kombinácie parametrov. Bude sa vyžadovať vykonanie 3 separátnych fáz so všetkými kombináciami parametrov.

Kalibrácia (fáza 1)

Zahŕňa počítanie modelu pre 15 rokov (čo by malo trvať asi 3 týždne na súčasnom počítači) pre zistenie, či atmosféra a "platňa" oceánu sú "v rovnováhe" (sú v stabilnom, rovnovážnom stave, kde veľkorozmerné vplyvy, také ako globálna priemerná teplota, sa podstatne nemenia z roka na rok). Tento experiment poskytne určité rozmedzia vnútení pre 2. a ďalšie fázy.

Kontrolný výpočet (fáza 2)

Štandardný výpočet, kde hodnoty skleníkových plynov v modeli atmosféry sú držané na pred-industriálnych úrovniach.

Dvojnásobný CO₂ (fáza 3)

Výpočet dvojnásobného CO₂ s hodnotami skleníkových plynov okolo dvojnásobku, než boli v kontrolnej fáze. Výsledky dajú indikáciu, ako citlivá je klíma na parametre, ktoré variujeme. Budeme preto schopní použiť výsledky ako návod na voľbu  parametrov v hlavnom experimente.

V experimente 1 máme množinu počiatočných podmienok, množinu pertubácií veličín, a množinu vnútení, ktoré obsahujú predindustriálne úrovne CO₂, a 2xCO₂. Toto nám má pomôcť zistiť klimatickú citlivosť modelov ktoré študujeme. [IPCC definuje klimatickú citlivosť (climate sensitivity) ako "rovnováha klimatickej citlivosti je definovaná ako zmena v globálnej priemernej teplote, T2x, ktorá nastane keď klimatický systém, alebo klimatiký model, dospeje k novej rovnováhe s vnútenou zmenou F2x vyplývajúcou zo zdvojnásobenia koncentrácie atmosférického CO₂."]

[Poznámka: Toto je experiment spustený v r. 2003.]

Druhý experiment použije úplný atmosféricko-oceánsky GCM (coupled model - združený model). To znamená, že oceán je schopný reagovať oveľa dynamickejšie než v experimente 1, dávajúc nám úplnejšiu simuláciu klímy. Základné časti experimentu sú:

1. množina počiatočných podmienok;

2. množina fyzikálnych rozptylov (zaujímavé a realizovateľné modely z experimentu 1); a

3. historické vnútenia (z periódy 1920-2000).

Množina počiatočných podmienok bude podobná použitej v častiach 1 a 3 - viď opis experimentu 1 pre podrobnosti.

Množina fyzikálnych rozptylov bude obsahovať modely, ktoré sú realizovateľné, stabilné klimatické modely, ktoré pokrývajú zaujímavé oblasti parametrov, ktoré sme identifikovali v experimente 1. Budeme smerovať k zahrnutiu maximálneho počtu z nich, a skutočne zamietnuť iba tie modely, ktoré sa stali nestabilnými kvôli voľbe zostáv parametrov. Predpokladáme, že budú rozsahy  parametrov (skupiny najbližšie príbuzných modelov s podobnými nastaveniami parametrov), ktoré sú realizovateľné (je teoreticky možné, že niektoré budú dokonca lepšie než štandardný model!), a rozsahy nerealizovateľné. Nájdeme tieto zozsahy v experimente 1 a použijeme dobré z nich v experimente 2.

Pre vnucovania v tejto časti experimentu použijeme údaje z klimatických záznamov z rokov 1920-2000. Spustíme skupinu experimentov v 1920 a vnútime im historické údaje pre päťdesiat rokov. Tento proces sa nazýva spätná predpoveď (hindcast): čo je ako predpoveď, ibaže poznáte výsledok. Vieme, čo sa stalo v rokoch 1920-2000, ale i tak je to náročná úloha pre model, urobiť dobrý výsledok simulovania. Môžeme použiť výkon modelov v simulácii minulosti pre zistenie ako dobré sú s úplným združeným modelom pri simulácii nedávnej a súčasnej klímy. Ak sú dobré v tom, použijeme ich pre predikciu budúcnosti tiež.

[Poznámka: Spustený v r. 2005.]

        Predpovedný experiment. Ako v druhom experimente, budeme používať úplný združený model. Použitím modelov, ktorým sa podarilo vykonať celkom dobrú prácu simulovania historickej klímy rokov 1920-2000, spustíme množinu predikcií pre obdobie 2000-2080. Tu sú tri časti experimentu:

1. množina počiatočných podmienok;

2. množina fyzikálnych rozptylov (ktoré prešli experimentom 2); a

3. množina vnútení budúcnosti.

Množina počiatočných podmienok bude podobná ako použitá v častiach 1 a 2 - viď opis experimentu 1 pre podrobnosti.

Množina fyzikálnych rozptylov bude obsahovať modely, ktoré dobre bodovali s indexom klimatickej predpovede. Teto index (vyvinutý v spolupráci s Hadley Centre) dáva hodnotenie súladu výsledku modelu s pozorovaniami. Modely ktoré bodovali dobre, pracovali dobre v experimente 2, v ktorom simulovali druhú polovicu dvadsiateho prvého storočia (viď vyššie). Modely ktoré bodovali slabo budú vyradené (alebo zastavené - podľa uváženia) pre experiment 3.

Množina vnútení budúcnosti je potrebná, pretože nevieme, čo sa chystajú Slnko a sopky robiť v nasledujúcich päťdesiatich rokoch. Taktiež nevieme, ako sa bude meniť úroveň skleníkových plynov v tomto období. Preto chceme počítať veľký počet rôznych možných  budúcností, v ktorých budú variovať solárne, sulfátové a skleníkové vnucovania, pre pokrytie predpokladaných rozsahov.

Experiment 3 bude teda obsahovať najlepšie modely, ktoré máme z porovnania s pozorovaniami, počítajúce predpovede, pokrývajúce pravdepodobné chovanie troch dôležitých klimatických vnucovaní. Každý model a každý scenár budúcnosti bude začínať rozsahom rôznych počiatočných podmienok pre zistenie, či výsledky ktoré dostávame späť, nie sú jednoducho výstrednými funkciami voľby počiatočného dátumu.

A výsledok tohoto všetkého bude pravdepodobnostná klimatická predpoveď do roku 2080, ako dúfame najlepšia na svete.