Вклад Проекта по сравнению совмещенных моделей в науку о климате

Последовательность этапов выполнения ПССМ составила фундамент и создала возможности для параллельной подготовки серии оценочных докладов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК).  Открыто признается, что Пятый оценочный доклад во многом опирается на пятый этап ПССМ. Данный краткий обзор планирования, предполагаемых возможностей и хода выполнения текущего, шестого, этапа ПССМ (ПССМ6) покажет его вклад в науку о климате^[1].¹²³

Мотивация и выгоды

Хотя в настоящее время проекты по сравнению моделей кажутся обычными, эта концепция впервые возникла, когда центры по моделированию атмосферы во всем мире приступили к реализации совмещенных моделей океана и атмосферы в целях изучения климата. Необходимость совместного использования и сравнения выходных данных этих моделей была быстро признана. Однако легче озвучить задачи, чем их выполнять: надо было определить постоянный организованный набор протоколов и механизмов наряду с процессом разработки и поддержки самой координации и необходимых средств для проведения сравнения. В ответ на эти требования рабочая группа ВПИК по сопряженному моделированию инициировала ПССМ. Своевременная поддержка со стороны Программы по диагностике и взаимным сравнениям климатических моделей^[2] (ПДВКМ) позволила ПССМ разработать форматы и стандарты и создать эффективные механизмы доступа к выходной продукции моделей.

С 1995 г. ПССМ поддерживает центры моделирования и широкий круг разработчиков и пользователей моделей, которые осуществляют фундаментальный анализ и сравнение современных экспериментов с использова­нием климатических моделей в соответствии с общими протоколами. Предоставляя МГЭИК и другим заинте­ресо­ванным сторонам полезную и доступную основу для формальных внешних оценок, ПССМ с самого начала также продемонстрировал сообществу исследователей климата две одновременно получаемые выгоды:

• прогресс в области технического развития самих моделей, которому способствовали обмен и взаимное сравнение, а также согласованные форматы обмена и исходных параметров для проведения взаимного сравнения;
• способность проводить систематическое исследование конкретных научных аспектов климатической системы – от облаков до глубинной циркуляции в океане и углеродного цикла – с помощью диагностики моделей, средних значений по ансамблю или тщательного перекрестного сравнения.

Процессы в рамках ПССМ целенаправленно способствовали совместному использованию знаний и навыков в области аппаратно-программного обеспечения и обмену между пользователями моделей и научным сообществом. Кроме того, они привели к минимизации дублирования усилий и снижению потребностей в рабочих и вычислительных ресурсах. В условиях ограничения ресурсов отдельные центры, а также все сообщество, высоко оценили этот факт.

Сложные задачи, стоящие перед ПССМ6

Повысилась потребность в ПССМ, и возросло количество задач, стоящих, в частности, перед ПССМ6. Все больше центров реализуют большее количество версий увеличивающегося числа моделей, которые становятся все более сложными. В настоящее время современная модель системы Земля могла бы полностью воспроизводить химию атмосферы, активные процессы на суше, включая рост и разрушение растительного покрова, и интерактивный углеродный цикл на суше и в океане. Реализация модели системы Земля со всеми поправками с самым высоким разрешением по-прежнему остается весьма сложной задачей, однако перечень необходимой и востребованной выходной продукции моделей для принятия решений, связанных с климатом, значительно увеличился по мере улучшения базового разрешения.

Некоторые конфигурации моделей ПССМ6 будут реализовываться с глобальным разрешением 25 км, что лучше региональных разрешений, используемых лишь несколько лет назад. Реализация этих моделей требует огромных вычислительных ресурсов, тогда как долговременное хранение, документирование, объединение в подкомплекты, поддержка и распространение терабайтов (и все чаще петабайтов) выходной продукции моделей вызывают необходимость в критической оценке возможностей и потенциала самых крупных центров данных и сетей самой быстрой передачи данных.

При разработке ПССМ6 Группа экспертов ПВССМ, являющаяся надзорной группой международных ученых, провела скрупулезную оценку результатов деятельности в прошлом и будущих потребностей. Она внимательно выслушала заказчиков, которыми в данном случае являются центры моделирования и научные пользователи. На основе предыдущих этапов ПССМ, особенно в интервале от ПССМ3 до ПССМ5, она отметила, какие стратегии и практики способствовали и препятствовали существенному прогрессу  в повышении точности моделей и научном понимании в области моделирования. Основываясь на этом опыте, Группа экспертов определила пять проектных целей для ПССМ6:

• Содействовать налаживанию взаимосвязей и проведению сравнения между различными проектами по сравнению моделей в рамках ПССМ6 и обеспечить согласованность между всеми этапами ПССМ;
• Создать возможности для того, чтобы научное сообщество обеспечивало центрам моделирования научно обоснованные первоочередные планы приоритетных видов деятельности ПССМ6;
• Позволить группам по моделированию осуществлять определяемые ими графики разработок и научные эксперименты без обязательной привязки к единому  сроку исполнения, определяемому МГЭИК, но с учетом этого срока;
• Укрепить деятельность в рамках Проекта по сравнению моделей в целом, встраивая ее в согласованную научную основу, что приведет к более эффективным коллективным результатам;
• Добиться всего вышеперечисленного посредством открытого и всеобъемлющего процесса.

Проектирование ПССМ6 по мере его развития и осуществления на текущий момент, добивается этих целей путем фундаментальных изменений процесса и процедуры и за счет принятия главных научных задач ВПИК^[3] в качестве всеобъемлющей научной основы.

Непрерывное и гибкое функционирование

Во избежание попеременных спешки и запаздывания при приближении установленного срока исполнения ПССМ6 позволяет центрам моделирования реализовывать усовершенствованные версии моделей и выполнять различные эксперименты ПССМ по мере их готовности и тогда, когда это удобно. Они могут работать в таком режиме в рамках ПССМ6 при условии, что также  завершат и представят на рассмотрение результаты экспериментов по диагностике, оценке и характеристике климата (Diagnosis, Evaluation, and Characterization of Klima (DECK)) и исторического имитационного моделирования ПССМ6 в соответствии с руководящими указаниями, что является подтверждением их возможностей и намерений в отношении ПССМ и своеобразным «пропуском» для участия в ПССМ6.

Комплекты исторических данных о воздействиях, – включая выбросы и концентрации парниковых газов, изменения в землепользовании, солнечные и стратосферные (вулкани­ческий аэрозоль, озон) колебания, – стали доступны для ПССМ6 в апреле 2016 г. Это позволит центрам моделиро­вания очень скоро приступить к выполнению экспериментов, которые являются «пропуском» для участия в ПССМ6. 

Члены Группы экспертов ПССМ Вероника Эйринг (председатель, Немецкий авиакосмический центр) Сандрин Бони (Национальный центр научных исследований, Франция) Джерри Мил (Национальный центр по атмосферным исследованиям, США) Катрин Синиор (Метеорологическое бюро, Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии) Бьорн Стивенс (Метеорологический институт им. Макса Планка, Германия) Рон Стауффер (Лаборатория геофизической гидродинамики, США) Карл Тэйлор (Программа по диагностике и взаимному сравнению климатических моделей, США)

Согласованные и постоянные протоколы моделей

DECK и историческое имитационное моделирование ПССМ6 опираются на прочную основу предшествующих этапов ПССМ. Весьма вероятно, что они представляют собой точно такие же эксперименты, которые используют или будут использовать большинство групп по моделированию для проверки и оценки новейших версий своих моделей. Отметим, что для целей ПССМ6 будущий климат начался в 2015 г. Мы предполагаем, что протоколы для DECK и исторического имитационного моделирования ПССМ сохранят согласованность в отношении будущих этапов ПССМ. Таким образом, DECK и историческое имитационное моделирование не создают барьеров для эффективной работы и вычислений, а, напротив, способствуют согласованности между моделями и этапами.

Усовершенствованные стандарты  и документация

Стремление к усовершенствованию стандартов и документации изнутри обусловлено растущей сложностью моделей, а внешне связано с тем, что все больше пользователей за пределами сообщества по моделированию климата хотят иметь доступ к данным ПССМ. ПССМ тесно сотрудничает с группой экспертов по инфраструктуре Рабочей группы ВПИК по сопряженному моделированию для установления и распространения требований, форматов и технических характеристик для выпускаемой продукции, документации по моделям и моделированию, а также для систем архивирования и доступа. Руководящие указания и стандарты в сочетании с долговременной эффективностью общего процесса ПССМ обеспечили возможности и способствовали параллельной эволюции данных и оценочной инфраструктуры. Одно дополнительное усилие облегчает выполнение принятых пакетов анализа данных всякий раз, когда архивный сайт регистрирует новый продукт ПССМ.

Обычное использование этих средств и образцов диагностики значительно облегчит систематические оценки моделей в ходе последующих оценок. Стандарты и руководящие принципы ПССМ также позволили на устойчивой основе выполнять большую работу по сбору данных, при этом основное внимание было уделено сбору и преобразованию данных наблюдений и результатов реанализа в доступные и соответствующие требованиям ПССМ форматы для использования в оценке моделей. В процессе ПССМ6 оценка моделей будет проходить более широко и в ускоренном темпе. По существу, эти коллективные средства ПССМ и источники данных способствуют прогрессу в области разработки моделей и научных исследований.

Планомерная сосредоточенность  на научной составляющей

Учитывая растущую сложность отдельных моделей, растущее число версий, реализуемых во все большем количестве центров моделирования, и число проектов по сравнению моделей в рамках и за пределами ПССМ, Группа экспертов ПВССМ выразила желание обеспечить двоякую роль ПВССМ: продвигать разработку моделей, а также облегчать и содействовать климатическим исследованиям.

Оценивая более 30 проектов по сравнению моделей, предложенных для ПССМ6, Группа экспертов учитывала соответствие каждого проекта трем фундаментальным научным вопросам ПССМ:

• Как система Земля реагирует на воздействия?
• Каковы истоки и последствия систематических погрешностей моделей?
• Каким образом мы можем оценивать будущие изменения климата, принимая во внимание его изменчивость, предсказуемость и неопределенности в сценариях?

Эти вопросы служат основой усовершенствования моделей для решения семи главных научных задач ВПИК. Группа экспертов объединила, адаптировала и пересмотрела 30 предложений и затем представила «окончательный» перечень, включающий 21 проект по сравнению моделей, одобренный для ПССМ6. Свыше 10 центров моделирования приняли обязательства по всем этим проектам, обязуясь проводить все первоочередные эксперименты (уровень 1), предусмотренные в проекте по сравнению моделей, и выпускать всю запрашиваемую выходную продукцию и информацию по диагностике.

Такое соответствие целей проекта по сравнению моделей и обязательств центров моделирования не произошло автоматически или спонтанно. Оно служит явным признаком того, что процесс ПССМ в настоящее время и в будущем будет сосредоточен на сугубо научных проблемах, вытекающих из главных научных задач ВПИК и вносящих  свой вклад в их решение. Очевидно, что проекты по сравнению моделей соотносили свои цели и запросы с ожидаемыми возможностями и мощностями моделей, но посредством этого процесса центры моделирования напрямую участвовали в определении научных приоритетов и масштаба ПССМ6.

Чтобы получить одобрение и помочь ПССМ6 и центрам моделирования установить приоритеты и контролировать процесс, все проекты по сравнению моделей обозначили первоочередную деятельность уровня 1. Большинство из них также содержат более длинные перечни факультативных и рекомендуемых экспериментов. Сотрудничая с сообществом МКО, ПССМ6 определит общие социально-экономические траектории  с тесной (и количественной) увязкой с репрезентативными траекториями концентраций ПССМ5. ПССМ6 также предпринимает целенаправленные шаги для более тесного взаимодействия с сообществами по оценкам, адаптации и обслуживанию посредством создания двух консультативных советов – по вопросам уязвимости, воздействий и адаптации и по климатическому обслуживанию.

Имеющиеся вычислительные ресурсы не в полной мере удовлетворяют потребностям ПССМ6 в анализах и экспериментах. ВПИК надеется, что планомерный процесс ПССМ способствует повышению эффективности, а также стимулирует дополнительный интерес и ресурсы. Примерно в 2011 г. Джерри Мил из НКАР (Национальный центр по атмосферным исследованиям) отметил, что ПССМ5 представляет собой «самый крупный скоординированный многомодельный эксперимент по изменению климата, который когда-либо предпринимался». Сегодня масштабность и цели ПССМ6 предлагают новый уникальный стандарт многодисциплинарной науки о климате и новый уровень задач в плане координации.

Заключение

ПССМ6 предусматривает и поддерживает согласованный и выполняемый на непрерывной основе набор ключевых видов деятельности, усовершенствованные средства и механизмы для доступа и анализа и широкое и вместе с тем целенаправленное научное влияние. Этот проект является замечательным примером всеохватности, транспарентности и открытого доступа к его информации и продукции. Он практически полностью функционирует на основе координации, взаимодействия и сотрудничества. Хотя метеорологическое сообщество имеет понятие о глобальных (атмосферных) моделях и быстром обмене высококачественными данными и выходной продукцией моделирования, по сложности и объему данных ПВССМ почти наверняка превосходит численное прогнозирование погоды.

Большая часть координации и взаимодействия осуществляется учеными-климатологами на безвозмездной основе. Мы не знаем ни о каком другом сообществе разработчиков моделей и исследователей в области физики, медицины, экономики, энергетики и вооружения, которое приложило бы такие большие усилия для сравнения и обмена и которое поддерживало бы столь замечательные усилия посредством коллективной мотивации.

Ответная реакция ПССМ заслуживает высокой оценки и восхищения со стороны научного сообщества. Широкий размах и амбициозные цели ПССМ6 предлагают абсолютно новый стандарт многодисциплинарной науки о климате и новый уровень задач в области координации. Поскольку все больше внимания уделяется последствиям изменения климата, процесс и продукция ПССМ будут представлять собой один из наиболее важных для общества источников полноценной и надежной климатической информации.

Авторы

Дэвид Карлсон^[1] и Вероника Эйринг^[2]

Сноски

¹ Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organisation by Eyring et al. (2015)

² United States Department of Energy (DOE)

³  www.wcrp-climate.org/grand-challenges

Ссылка

Eyring, V., Bony, S., Meehl, G. A., Senior, C., Stevens, B., Stouffer, R. J., and Taylor, K. E.: Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organisation, Geosci. Model Dev. Discuss., 8, 10539-10583, doi:10.5194/gmdd-8-10539-2015, 2015.