Рис. 14.4. Основные свойства моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО или AOGCM) и моделей системы Земля (МСЗ или ESM) из проектов CMIP3 и CMIP5, где использованы официальные названия моделей проекта CMIP, страна, HT – высокая атмосфера, включающая всю стратосферу (МГЭИК5)

Этот закон сохранения автоматически приводит в данном случае к вычислительной устойчивости решения разностной задачи, если под устойчивостью понимается непрерывная зависимость нормы решения от нормы правой части и нормы начальных данных.

Закон сохранения момента количества движения относительно оси вращения Земли по существу определяет распределение скоро- сти ветра у поверхности Земли (наличие пассатов). Воспроизведе- ние конкретных физических явлений типа циклогенеза требует хо- рошей аппроксимации по спектру некоторых линейных операторов (по собственным и сингулярным числам), 30–60-дневных колеба- ний в тропиках, распространения квазистационарных волн и мно- гих других процессов, ответственных за климатические характери- стики. Особое значение имеет решение уравнений переноса малых примесей, имеющих большие пространственные градиенты, что накладывает очень сильное требование на условие монотонности разностных схем.

В модели учитываются и параметризованы следующие подсе- точные процессы:

–горизонтальная диффузия (турбулентность);

–вертикальный турбулентный перенос;

–гравитационно-волновое сопротивление (неорографическое и орографическое);

–конвекция, конденсация и осадки (глобальная и мелкая кон- векция);

–радиационный перенос;

–взаимодействие атмосферы с деятельным слоем суши и крио- сферы;

–региональные аспекты (воздействие изменений глобального климата на региональные климатические характеристики: модели по- граничного слоя и статистические поля на основе данных реанализа). В современной версии используется совместная модель атмос- феры и океана. Шаг по времени 2 часа. Модель реализована на су- перкомпьютере «Чебышев» в виде двух независимых задач (атмос- фера и океан): атмосфера – на 24 процессорах с использованием MPI, океан – на 32 процессорах с использованием MPI и OPEN MP. За сутки реального времени рассчитывается эволюция климатиче-

ской системы на 8 лет модельного времени.

В блоке атмосферы можно задавать разное разрешение по гори- зонтали (в градусах, долгота, широта): 5×4; 2×1,5; 1,25×1,0, по вер- тикали 21 уровень (до 30 км), 39 (до 90 км), шаг по

в час, вблизи полюсов (с 69 °С) применяется гармоники для аппрок- симации. В блоке океана: разрешение 1,0×0,5 град (долгота, широ- та) и 40 уровней по вертикали, шаг по времени 2 часа, применен метод расщепления по физическим процессам и пространственным координатам, модель включает динамику и термодинамику морско- го льда.

Обмен информацией между моделями атмосферы и океана происходит каждые несколько часов модельного времени – шаг для модели океана. Шаг меняется от цели численного эксперимента. Внутри шага модели потоки тепла и радиации осредняются. Потоки служат атмосферным воздействием для модели океана.

Модель ИВМ РАН предназначена для решения трех основных задач моделирования климата:

–воспроизведение современного климата (понимание физиче- ских механизмов его формирования);

–оценка возможных изменений климата под влиянием малых внешних воздействий (проблема чувствительности климатической системы);

–прогноз изменений климата.

Эффективность модели ИВМ РАН прежде всего оценивалась для воспроизведения основных свойств современного климата. Мо- дель была проинтегрирована на период 17 лет и в качестве нижних граничных условий задавался наблюденный временной ряд темпе- ратуры поверхности океана и границ морского льда за 1979–1995 гг. Для улучшения сходимости с данными наблюдений вместо уравне- ний движения, записанных в форме Громеки-Лэмба, использован их адвективный вид, что привело к улучшению воспроизведения высокочастотной изменчивости в тропиках, особенно летом. Более точная настройка параметризации конвекции обусловила лучшее воспроизведение низкочастотной изменчивости в тропиках. Учет подынверсионной облачности над океанами обусловил улучшение

Рис. 14.5. Давление зимой над уровнем моря (гПа): данные NCEP, модели и их разности

Рис. 14.6. Погрешность воспроизведения средней зональной температуры на различных барических высотах

географические распределения давления на уровне моря за зим- ний сезон (декабрь–февраль), построенные по данным реанализа (NCEP), результатам моделирования и их разности.

Как видно из рисунка, все основные центры действия атмос- феры хорошо воспроизводятся моделью, включая их положение и величину давления в них. Тем не менее, величина ошибки вос- произведения давления достигает в некоторых районах 4,6 гПа. Среднегодовая погрешность воспроизведения зонально осреднен- ной температуры на разных барических поверхностях показана на рис. 14.6.

Как и в большинстве современных моделей в модели ИВМ РАН происходит занижение температуры вблизи тропопаузы в высоких широтах на 5–10 °С. В тропосфере величина ошибки воспроизве- дения температуры значительно меньше. В нижней тропосфере над Арктикой и Антарктикой температура завышена на 2–3 °С, а в уме- ренных широтах южного полушария во всей тропосфере, а также в тропиках в верхней тропосфере занижена на 1–2 °С. В соответ- ствии с погрешностями температуры, скорость западного ветра в нижней стратосфере завышена на 5–10 м/с, а скорость восточного ветра в тропиках в нижней стратосфере завышена на 4–8 м/с. Как показано на рис. 14.7, имеет место хорошее и соответствие смоде- лированных полей температуры с данными наблюдений. При этом, как видно из рис. 14.7, модель не только надежно воспроизводит