В Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН с помощью численного моделирования исследуют взаимодействия компонентов климатической системы Арктики. Метод позволяет изучить возможные варианты развития и изменения климата, выстроить прогнозы и предположения в условиях глобального потепления, вызванного в том числе антропогенной деятельностью.

Сегодня Арктика считается одной из ключевых частей климата планеты и находится в центре внимания многих исследований. Связано это с тем, что изменения, происходящие здесь, в частности температурные, влияют на всю планету. Процесс глобального потепления наиболее заметен именно в Арктике, благодаря так называемому арктическому усилению, когда эффект потепления усиливается за счет вызванного им же уменьшения объёма льда и снега, что приводит к значительному снижению отражательной способности Земли. Поэтому повышение температуры воздуха в полярных регионах больше по сравнению с её увеличением в низких широтах почти в два раза, а это способствует изменению климата и в остальных районах планеты. Рост средней температуры атмосферы даже на один градус приводит к существенному смещению природных зон, в том числе зон земледелия, зелёного покрова, засухи и других.

«Наша команда участвует в исследованиях климата — в частности, мы изучаем компоненты арктической системы и их взаимодействие между собой. Математические модели, созданные с помощью численных методов, описывают как отдельные части климатической системы, включая океан, сушу, ледяной покров, атмосферу и другие, так и весь комплекс. Численное моделирование состоит из нескольких этапов. Перед началом работы нам важно физическое понимание происходящих в природе процессов. Здесь используется геофизическая гидродинамика, рассматривающая явления и механизмы в течениях жидкой среды в планетарных масштабах под воздействием различных факторов в сочетании с вращением планеты. Полученные данные формируются в системы дифференциальных уравнений, решение которых предполагает аналитический результат, то есть выявление свойств моделируемого объекта. Но поскольку прийти к аналитическому решению удается только в редких случаях, то нужно искать численные ответы», — рассказал главный научный сотрудник лаборатории математического моделирования процессов в атмосфере и гидросфере ИВМиМГ СО РАН доктор физико-математических наук Геннадий Алексеевич Платов. 

Такой метод, по словам учёных, имеет как преимущества, так и недостатки. Численно решая уравнения, математики приходят к приближениям, то есть в конечном счете численная модель способна описывать процессы в океане или атмосфере лишь приблизительно. Соответственно, у научного сообщества возникают вопросы: насколько сильно погрешности влияют на достоверность результатов? Чтобы не приходить к искусственным выводам, специалисты проверяют адекватность модели по отношению к реальному объекту изучения при помощи данных натурных измерений, которые сопоставляются с информацией, полученной со спутниковых снимков. В отличие от контактных измерений, снимки представляют не отдельные измерения, а интегральные характеристики обширных участков площади. 

Главное преимущество подхода сибирских исследователей заключается в возможности проведения экспериментов с численными моделями — они позволяют задать необходимые условия и с помощью вычислительных технологий просчитать, как это повлияет на происходящие процессы. При изменении климата, повышении температуры атмосферы и других состояний математическая модель позволит предположить, что произойдет в реальной климатической системе.

«Решение численных задач невозможно без современной компьютерной техники. Для проведения модельных расчётов мы используем ресурсы ЦКП “Сибирский суперкомпьютерный центр СО РАН”. Во всех сложных вычислениях он фактически играет роль калькулятора. Пока нас вполне устраивают его возможности, а в перспективе планируется увеличение его мощностей. В 2021 году наша лаборатория, благодаря финансовой поддержке Минобрнауки России, смогла приобрести дополнительный вычислительный узел для целей проекта, который в будущем станет частью общего инструментария ССКЦ СО РАН», — отметил Геннадий. Платов.

Новосибирские учёные работают в рамках важнейшего инновационного проекта государственного значения (ВИПГЗ), в основе которого и стоит задача по созданию модели климатической системы мирового уровня. Головной организацией выступает Институт вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН (Москва), сотрудники ИВМиМГ СО РАН разрабатывают одну из частей будущей модели. По мнению специалистов, климатические прогнозы интересны и важны не только в познавательных целях, но и в практических. Экономика государства должна адаптироваться к различным изменениям природных условий, и чтобы этот процесс проходил эффективно, нужны подобные исследования. 

Работа выполняется при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования РФ (доп. соглашение № 075-03-2023-506/1).

Текст: Кирилл Сергеевич.
Источник: «Наука в Сибири».