4. Проблема моделирования распределения и изменчивости малых газов в атмосфере; Постановка задачи; Виды моделей

• Модели газового состава атмосферы представляют собой математическое описание фундаментальных законов, управляющих процессами в атмосфере и геосфере в попытке воспроизвести сложные процессы, происходящие в естественной среде

• Диагностическая задача

(Интерпретации результатов наблюдений и определение ключевых процессов и переменных);

• Прогностическая задача

(Представление о будущем состоянии Земной системы).

• Теоретические модели разрабатываются для изучения физических, химических и биологических процессов в окружающей среде для описания комплекса нелинейных взаимодействий между этими процессами, а также обратных связей, воздействующих на систему Земля-атмосфера.

• В частности, модели газового состава пытаются воспроизвести пространственно-временную изменчивость малых газов в земной атмосфере и их обмен с океаном, земной поверхностью и биосферой.

• Модели развиваются для проверки теоретических гипотез и нуждаются в натурной и лабораторной проверке.

Диагностические Модели

• Как диагностический инструмент, модели помогают в интерпретации результатов наблюдений и определении ключевых процессов и переменных

• Они также используются для проверки чувствительности вычисляемых параметров к изменчивости процессов, роль которых является не до конца понятной.

• Отклонение модельных результатов от наблюдений сигнализирует о недостаточном понимании или не рассмотрении ключевых процессов и инициирует новые теоретические и экспериментальные исследования.

Прогностические Модели

• Как прогностический инструмент, модели представляют информацию о будущем состоянии Земной системы.

• Однако подобные прогнозы могут считаться надежными, только если модель продемонстрировала хорошее решение диагностической задачи.

• Для повышения надежности модельных прогнозов практикой является использование нескольких моделей и сравнение их прогностических расчетов.

Виды моделей

• Аналитические (непрерывные) – явное решение математических уравнений модели с получением формул, описывающих непрерывную зависимость искомых параметров от пространственных координат, времени и входных параметров модели;

• Численные – дискретизация области определения модели и временных интервалов и пошаговое нахождение пространственной и временной изменчивости параметров модели в зависимости от предыдущих значений и входных параметров модели

Численные Модели

• Сложность, многообразность и нелинейность процессов, влияющих на распределение и изменчивость атмосферных газов приводит к практической невозможности создания их аналитических моделей;

• Большинство моделей атмосферного газового состава являются численными;

• При создании численных моделей сначала надо определить область определения модели, т.е. ее масштаб (локальная, региональная или глобальная, тропосферная, стратосферная, приземного или погранслоя); задать сетку, т.е. дискретизацию (шаги) по пространству и шаги по времени; аппроксимировать дифференциальные непрерывные уравнения конечноразностными, выбрать метод решения полученных конечно-разностных алгебраических уравнений, задать граничные и начальные условия в заданной области определения и на выбранной модельной сетке; выбрать язык программирования (как правило наилучшим выбором для атмосферных моделей является ФОРТРАН), среду программирования, вычислительные средства; написать программные коды и задать правила их выполнения.

Создание моделей

• Создание моделей представляет собой интерактивный процесс, включающий создание сложных программных кодов, тестирование результатов относительно измерений, проведение исследований чувствительности моделей к изменчивости тех или иных процессов.

• Учет всевозможных химических реакций и физических процессов приводит к созданию очень сложных моделей, которые оказываются слишком громоздкими даже для самых современных суперкомпьютеров, т.е. распределения всех атмосферных газов не могут быть вычислены за приемлемое время.

• В этой связи создание моделей малых газовых примесей атмосферы часто сводится к поиску компромиссов с точки зрения детализации рассматриваемых процессов и пространственного разрешения моделей. Упрощения, которые вносятся в модели, являются следствием конкретного рассматриваемого научного вопроса, что приводит к исключению рассмотрения тех или иных газов и связанных с ними химических реакций или к понижению размерности модели.