Namodelujte si na svém počítači vývoj klimatu - 2. část
Jak se klima modeluje
Jaký má vlastně smysl modelovat vývoj klimatu na desetitisících relativně málo výkonných počítačích, místo abychom ho spočítali jednou pořádně na nějakém superpočítači?
Potíž s počasím je v tom, že se chová chaoticky. To není přirovnání, ale odborný termín. Chaotické systémy se vyznačují tím, že i velmi malé změny počátečních podmínek a parametrů systému mohou vést k velkým změnám v budoucím vývoji systému. Příkladem může být třeba házení klacíků do vody z mostu. Pokud je most dost široký a vodní tok dost bouřlivý, nedá se dobře předpovědět, kde klacík vyplave.
Chaotické chování systému nelze chápat jako chování náhodné. Jedná se o chování, které sice nemůžeme dopředu určit, ale které můžeme při stejných počátečních parametrech zopakovat (Chování systému je reprodukovatelné pouze z přesně téhož výchozího stavu.).
Předchozí odstavec je téměř přesnou citací z Úvodu do fraktálů.
Kdybychom tedy chtěli předpovědět vývoj klimatu pomocí jediného běhu modelu, museli bychom znát zcela či aspoň velmi přesně počáteční podmínky, dále parametry modelu (viz dále) a konečně vnější faktory jako vulkanická aktivita, intenzita sluneční činnosti apod.
Některé jevy ale nelze v použitém prostorovém měřítku přímo modelovat. Jde například o to, jaká oblačnost vznikne při dané teplotě a vlhkosti vzduchu a kolik srážek z ní spadne na zem. Tyto jevy jsou v modelu zastoupeny čísly (parametry), vyjadřujícími jejich výsledný efekt. Pro zjednodušení si představme, že model "nezná" počet a velikost mraků nad Českou republikou, předpokládá ale, že při dané teplotě a vlhkosti je obloha zatažena dejme tomu ze dvou třetin.
Hodnota takovýchto parametrů se pohybují v určitém rozmezí, ale přesné hodnoty nikdo nezná. Chování modelu přitom významně ovlivňují i malé změny parametrů.
Cestou, jak "vyzrát" na chaotické chování systému, je, kromě vylepšování modelu a zužování přípustného rozmezí hodnot parametrů, spustit více běhů stejného modelu s různými parametry a počátečními podmínkami. Nemá ovšem smysl pustit se hned do věštění budoucího vývoje - je dost možné, že řada kombinací parametrů modelu povede ke zjevně nesmyslným výsledkům. Proto je celý experiment climateprediction.net rozdělen do tří etap.
Tři etapy
V první etapě, která probíhá nyní, jsou hledány vhodné hodnoty parametrů modelů. Nejde tedy o skutečné modelování vývoje klimatu a nemusíte se tedy znepokojovat tím, co vám váš konkrétní model ukáže za data. Konkrétně se zkouší, zda při konstantních hodnotách koncentrace CO2 v atmosféře je i stav klimatu víceméně konstantní. Dále se ověří, zda při zdvojnásobení této koncentrace se simulované klima po nějaké době ustálí (zda se tedy na vašem počítači nezačnou například vařit oceány či celá Země nezmrzne nebo se nezačnou v intervalu několika let střídat doby ledové a období horka).
V druhé etapě, se kterou chtějí britští vědci začít během letošního roku, se bude zjišťovat, na kolik dokáží modely (s vhodnými parametry, získanými během první etapy) "předpovědět" klima v období let 1950 - 2000. Je zřejmé, že ty kombinace parametrů, které nedokáží replikovat vývoj klimatu v minulosti tak, aby odpovídal skutečnosti, nemá smysl používat pro modelování budoucího vývoje klimatu.
V této etapě bude použit tzv. spojený model atmosféra-oceán. Zatímco v první (nyní probíhající) etapě je oceán reprezentován zjednodušeným modelem, popisujícím jevy jen v povrchové vrstvě vod, v tomto spojeném modelu jsou brány v úvahu i mořské proudy a reakce hlubinných vod.
Konečně ve třetí etapě dojde na skutečné předpovídání budoucího vývoje klimatu. Ty modely (či spíše parametry modelů), které se osvědčily v druhé etapě, budou použity pro modelování vývoje klimatu v období let 2000 - 2100.
Jaký model klimatu je v projektu použit?
V experimentu je použit takzvaný všeobecný cirkulační model (Global Circulation Model, GCM) s názvem HaDCM3 britského Hadleyova střediska pro klimatické předpovědi a výzkum.
V tomto modelu je povrch Země rozdělen na síť čtyřúhelníků o velikosti 2,5 stupně zeměpisné šířky krát 3,75 stupně zeměpisné délky. To je samozřejmě poměrně hrubé členění, které neumožňuje dělat velké závěry o vývoji klimatu například v Čechách - pokud by byl jihozápadní vrchol takového čtyřúhelníka v Českých Budějovicích, byl by jihovýchodní vrchol někde u Hodonína, ovšem severovýchodní u polské Poznaně a severozápadní na německo-polské hranici u Frankfurtu nad Odrou.
Ve vertikálním směru je atmosféra až do výšky 30 km rozdělena do 19 vrstev, oceány pak do 20 vrstev.
Časový krok modelu je pro rychle se měnící procesy půl hodiny, některé pomalejší procesy se však přepočítávají méně často. Jinými slovy řečeno, při simulaci klimatu se předpokládá, že po dobu půl hodiny se nemění například rychlost a směr větru či tlak vzduchu. Po této době se přepočtou příslušné rovnice a nově vypočtený vítr se nechá opět beze změny působit půl hodiny. Zdůrazněme, že v tomto a předešlém odstavci mluvíme o času modelu, nikoli o reálné době, po kterou váš počítač tyto výpočty provádí - ta je řádově kratší (pochopitelně, jinak by simulace 50 let musela trvat také 50 let). Například výkonné PC s Pentiem 4/3GHZ spočítá jeden měsíc času modelu asi za hodinu reálného času.
Obdobný model se používá i pro běžné předpovědi počasí, pro tento účel ovšem výpočty běží s podstatně jemnějším prostorovým i časovým rozlišením.
|
Uvítáme vaše připomínky, otázky či výhrady k článku či vlastní zkušenosti s programem Climateprediction.net. Pište nám na e-mail ekolist@ekolist.cz, případně můžete využít tento formulář.
EkoList po drátě referoval o tomto projektu již v roce 1999 v článku Seti@home bude mít možná následovníka a v roce 2000 v článku Casino 21 - Simulace klimatu v 21. století |
reklama
