Для
обеспечения лучшего понимания сложной системы климата, компьютерные программы должны
описывать модель взаимодействия компонентов климата. Эта общие модели циркуляции
(ОМЦ), широко используются, чтобы понимать климатические изменения, наблюдаемые
в прошлом и чтобы попытаться идентифицировать возможные будущие реакции климатической
системы на изменение условий. Могут ли изменения возникать в течение короткого
времени, как например, десятилетие или столетие? Будут
ли изменениям предшествовать такие явления, как, например, увеличение частоты
Эль-Ниньо и их вмешательство в теплые западные воды Тихого Океана, направленные
в сторону Южной Америки? Каковы различные механизмы переноса тепла к полюсу, которые
могут обеспечить суть других состояний климата? Эти вопросы, и много другие,
указывают на сложность современных исследований климата. Простые причинно-следственные
объяснения обычно оказываются не эффективными на этой арене. Сложные
компьютерные модели являются практически единственно доступными инструментальными
средствами, поэтому они обычно используются, чтобы доказать утверждения о
климате и глобальной динамике.
В течении 20 лет, исследователи, моделирующие климат, использовали
некоторую версию Модели Общественного Климата (МОК1) Национального Центра
Атмосферных Исследований (НЦАИ). МОК1, которая была
произведена в 1987 году, была задействована на больших последовательных суперкомпьютерах.
Теперь, многие эти исследователи используют МОК2 – шаг
вперёд, важность которого охарактеризована как перемещение от некоторой другой
планеты к земле. Этот шаг грубо соответствует приходу больших, с разделенной памятью,
параллельных, векторных компьютеров, как, например, Cray YMP. Параллельные компьютеры позволять
более подробно моделировать климат. Детальное исследование баланса физических
процессов в моделях приближается к наблюдаемому положению с увеличением моделирования
деталей и с достижением уверенности в том, что описано физикой.
Современные
модели атмосферного климата очень хорошо описывают качественную структуру
глобальной циркуляции. Перенос энергии от теплых экваториальных регионов к
холодным полюсам и разделение общих ветров на части воспроизведены в симуляциях
как качественно, так и количественно. Тропический ветер Hadley, ветра средних широт
Ferrel и струйных течений хорошо согласованы с наблюдениями. Это основные
структуры атмосферной циркуляции, которые ощущаются на земной поверхности
такие, как штилевые полосы, пассаты, западные ветры средних широт, и полярные
высоты.
Способность
моделей воспроизводить современный климат формирует уверенность в их физической
достоверности. Это утверждение, тем не менее, не является основанием использовать
модели для предсказания будущего климата. Другим важным доказательством
использования моделей было их применение к прошлым климатическим режимам. МОК НЦАИ
использовался, чтобы имитировать климатические последствия, вызванные увеличением
солнечного излучения в летний период на севере из-за изменений в земной орбите.
Одним из последствий было потепление температуры земли, которое вызывало более
интенсивные муссоны. Увеличение или уменьшение солнечного излучения, вызванное изменениями
в земной орбите, является предполагаемой причиной, обуславливающей условия,
которые обеспечивали климат прошлых периодов. Согласно Стефану Шнайдеру из НЦАИ,
"способность компьютерных моделей воспроизводить местные климатические реакции
на изменения солнечного излучения, осуществляемые вариациями в земной орбите,
представляет основу уверенности в надежности этих моделей как инструментальных
средств прогноза будущих климатических последствий возрастающего «парникового
эффекта»"ю
МОК2, самый последний код в серии моделей климата, разработанный
НЦАИ, охватывает сложное взаимодействие физических процессов описанных выше. Эта модель климата, пригодная для пользователей, занимающихся университетскими
и промышленными научными исследованиями, имитирует изменяющийся во времени отклик
системы климата на ежедневное и сезонное изменение солнечного тепла и морских
поверхностных температур. За последние 10 лет и в обозримом будущем, эти
модели формируют основу большого разнообразия исследований климата и тестирования
сценариев, используемых в принятии решений о формировании национальной энергии
и политики окружающей среды.
Параллельные
вычисления, используемые в Моделях глобальной циркуляции
Продвижения
в компьютерной технологии одобрялись исследователями климата, поскольку для
завершения долгосрочного моделирования климата могут потребоваться месяцы
вычислительного времени. Самое последнее поколение суперкомпьютеров основано на
идее параллелизма. Intel Paragon XP/S 150 может решить отдельную сложную задачу,
используя комбинированную скорость 2048 процессоров. Этот компьютер отличается от
других суперкомпьютеров тем, что память каждого процессора не доступна другим
процессорам. Такая система называется скорее распределенной памятью, чем разделенной
памятью. Такое проектирование компьютера позволяет применить огромный
параллелизм к задачам, но усложняет формулировку вычислений.
МОК2 используется почти исключительно в параллельных суперкомпьютерах.
Большие вычислительные требования и тяжелый объем выходных данных,
сгенерированных моделью, исключают их эффективное использование в системах
класса рабочих станций. Основа алгоритма динамики в МОК2
основывается на сферических обертонах, любимых функциях математиков и физиков,
которые должны представить функции как значения на поверхности сферы. Метод преобразовывает
данные о сфере в компактное, точное представление. Данные для точечной сетки размером
128х64 на земной поверхности могли бы быть представлены при помощи всего лишь 882
чисел (коэффициентов) вместо 8192. Этот метод господствовал долгое время при
выборе метода для моделей погоды и климата из-за точности сферического гармонического
представления и эффективности методов, используемых для вычисления преобразования.
Преобразование – "глобальный" метод в смысле того, что он запрашивает
данные со всего земного шара, чтобы вычислить единый гармонический коэффициент.
В параллельных компьютерах с распределенной памятью эти вычисления требуют связи
между всеми процессорами. Поскольку связь дорога в параллельном компьютере, многие
думали, что метод преобразований отжил свои дни.
Дальнейшие исследования в ORNL
нашли способы организовывать вычисления, обеспечивающие возможность осуществлять
модель климата на огромных параллельных компьютерах.
Прежде, чем привлекались исследователи
ORNL, параллелизм в моделях был ограничен парадигмой разделенной памяти, в
которой использовалось только несколько – от 1 до 16 – процессоров. Из-за
глобальной связи необходимой для спектрального преобразования, параллельные
компьютеры с распределенной памятью не выглядели многообещающими. Тем не менее,
дальнейшие исследования в ORNL нашли способы организации вычислений, полностью
изменяя наше представление и делая возможным осуществление МОК2 на огромных параллельных компьютерах
Наше
исследование выявило несколько параллельных алгоритмов, сохраняющих конкурентоспособность метода преобразования
даже при использовании в ORNL множества таких процессоров, как Intel Paragon
XP/S 150. Эта мощная машина имеет 1024 узловых платы, каждая имеет два
вычислительных процессора и процессор связи. Полная модель климата МОК2 была разработана для этого параллельного компьютера благодаря
сотрудничеству исследователей из ORNL, Национальной Лаборатории в г.Argonne, и НЦАИ.
В настоящее время она используется Отделом компьютерных наук и математики при
ORNL как основа для разработки парной модели океано-атмосферного климата под
спонсорством Отдела здоровья и Исследования Окружающей среды.
С ростом вычислительных возможностей,
предложенных новым поколением параллельных компьютеров, многие исследователи стремятся
улучшить модель климата.
С
увеличением вычислительных возможностей, предложенных новым поколением
параллельных компьютеров, многие исследователи стремятся улучшить модели,
связывая океан и атмосферу. Это замечательное продвижение в моделировании на
шаг приближает нас к полной модели системы климата. С таким типом встроенной
модели, откроется множество областей изучения климата. Сначала возникнет улучшенный
метод для имитации углеродного цикла на Земле. Процессы океанов и земли (напр, леса и почвы) действуют как источники и места для
оседания углерода в атмосфере. Во-вторых, включение моделей атмосферы с моделями
океана с высоким разрешением и с допущением водоворотов позволит ученым наблюдать
прежде непостижимые вопросы предсказания климата. Модели покажут типичное
поведение взаимодействия океана и атмосфера. Эль-Ниньо – это лишь один из режимов
взаимодействия. Обнаружение и опознание эти режимов поможет получить ключ к проблеме
предсказания климата.
Наши
модели могли бы быть использованы для предсказания общего влияния на климат
противодействующих атмосферных эффектов как искусственного, так и естественного
происхождения – потепление вследствие «парникового эффекта» и эффект
похолодания вследствие сульфатных аэрозолей. Используя повышенную компьютерную
мощность компьютеров Intel, IBM SP2, или Cray Research T3D, исследователи должны продвигаться шаг за шагом в
понимании сложных взаимозависимостей между естественными процессами и
человеческой деятельностью как например, сгорание ископаемого
топлива и климат нашего земного дома.