Ученые-климатологи получают информацию о свойствах и параметрах основных климатических оболочек (атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера и криосфера) и обменных процессах между этими оболочками с помощью хорошо развитой системы наблюдений. И хотя именно как система глобальная система наблюдений за климатом сформировалась только в начале 1990-х годов, ее отдельные компоненты уже насчитывают десятки лет. В целом эра инструментальных наблюдений за климатом длится уже более 170 лет и включает различные наблюдения. Средства наблюдений непрерывно совершенствуются, повышается точность и охват, исследуются все более «тонкие» вещи. Например, потоки парниковых газов из экосистем, накопление тепла в океане, объем льда в ледниках, поглощающие свойства аэрозолей, расположение и интенсивность молниевых вспышек и т. д.
Если в XIX веке основными наблюдениями были инструментальные судовые наблюдения или наблюдения на метеорологических станциях, то сейчас основной поток информации идет от автоматических средств наблюдений. Это и контактные наблюдения, например автоматические метеостанции, буи, глайдеры, датчики, которые ставятся на самолеты и коптеры и так далее, так и средства дистанционного зондирования — спектрорадиометры, радары, лидары, содары. Располагаются такие приборы как на Земле, так и в космосе, на спутниковых аппаратах. Например, по измерению аномалий гравитационного поля Земли ученые изучили сокращение объема льда в Гренландском и Антарктическом ледовых щитах. А по тем или иным изменениям приходящего солнечного излучения в узких спектральных каналах климатологи фиксируют свойства аэрозолей, мельчайших твердых и жидких взвешенных в воздухе частиц, существенным образом влияющих на физику облаков, качество воздуха и климат планеты. Большую роль внесли длительные программы наблюдения за океаном и атмосферой, например программы ПИГАП (Программа исследования глобальных атмосферных процессов), «Разрезы» и другие.
Российские и советские ученые внесли существенный вклад в развитие климатологии. Так, М. Ф. Спасский одним из первых сформулировал задачу оценки климата как задачу физики, А. И. Воейков составил одни из первых климатических атласов мира и начал исследовать энергетический бюджет поверхности, А. М. Обухов описал фундаментальный закон турбулентности атмосферы, М. И. Будыко рассчитал тепловой баланс Земли и создал одну из первых полуэмпирических моделей климата Земли, оценив с помощью нее условия равновесного климата (подробнее см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить»). Г. И. Марчук внедрил методы расщепления в численное моделирование погоды и климата, С. С. Лаппо открыл наличие глобальной термохалинной циркуляции в океане. Это далеко не полный список открытий — перечисление и осмысление всех достижений российской климатологии могло бы занять не одну страницу. Сейчас в России исследованиями в области климата и смежных областях (адаптации, смягчении) занимаются научные коллективы из десятков организаций Российской академии наук, Росгидромета, высшей школы.
Именно благодаря наблюдениям мы знаем о том, что в последние десятилетия очень быстро растет концентрация парниковых газов в атмосфере (в первую очередь углекислого газа, но также метана, закиси азота). Наблюдения за изменением изотопного состава СО2 в атмосфере позволили уверенно атрибутировать причину этого роста — сжигание ископаемого топлива, в котором практически нет неустойчивого изотопа 14С. Об этом же говорят и наблюдения за потоками парниковых газов. (подробнее см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить»)Рост концентрации парниковых газов в свою очередь ведет к усилению парникового эффекта: это усиление хорошо фиксируют мультиспектральные наблюдения за встречным длинноволновым излучением атмосферы. Благодаря развитой сети наблюдений ученые видят и результат этого усиления: потепление в нижних слоях атмосферы и на поверхности (например, 2023 год стал теплее второй половины XIX века на 1,45 ºC) и резкое выхолаживание в высоких слоях атмосферы.
Усиление парникового эффекта из-за антропогенных потоков СО2 постоянно отклоняет планету от радиационного равновесия. Спутниковые системы фиксируют энергетический небаланс Земли: мощность приходящей лучистой энергии от Солнца составляет 340 Вт·м–2, а мощность уходящей в космос радиации — только 339 Вт·м–2. В последние годы развитые системы наблюдений позволили замкнуть этот небаланс, и понять, куда «уходит» этот 1 Вт·м–2: ученые установили, что в первую очередь эта разница идет на нагрев океана (около 90%).
Также важным достижением последних лет стало определение всех составляющих наблюдаемого роста океана, который ускорился с 2 мм в год в 1990-е годы, почти до 5 мм в год в наши дни. Ученые установили, что сейчас основной вклад в этот рост вносит таяние ледников, и в первую очередь — льда в Гренландии.
Тающие льды потихоньку уносят с собой информацию о прошлом климате, исследование которого по-прежнему представляет большой интерес. Здесь ученые используют природные «архивы», содержащие полезный сигнал о прошлом климате: изотопы в кольцах деревьев и в донных отложениях, состав воздуха в пузырьках, вмороженных в лед, и так далее.
Роль океана, в том числе Арктики, в климатических изменениях активно исследуется в Институте океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте, Тихоокеанском океанологическом институте им. В. И. Ильичёва ДВО РАН. Гидросфера суши как часть климатической системы исследуется в Институте водных проблем РАН, Государственном гидрологическим институте, а вопросами криосферы и процессов в многолетнемерзлых грунтах занимаются ученые Института криосферы Земли СО РАН, Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.
Дополнительные примеры наблюдений мы приводим ниже в главе «Нужно кое-что объяснить».
Моделирование и прогноз климата
В науке крайне важна возможность поставить и провести эксперимент, чтобы подтвердить или опровергнуть ту или иную гипотезу. Поэтому климатология живет не только наблюдениями и палеореконструкциями. Для уточнения отдельных механизмов работы климатической системы организуются и проводятся наблюдательные кампании. Так, еще в конце XIX века Ф. Нансен выдвинул гипотезу о наличии трансполярного дрейфа в Арктике и проверил ее, вморозив свой корабль Фрам во льдах моря Лаптевых и освободившись ото льда в районе Шпицбергена.
Но что если надо провести глобальный эксперимент? Например, если надо понять, как отреагирует температура и изменится циркуляция, если мы ускорим вращение планеты, например, в два раза? Или уменьшим количество энергии, поступающей от Солнца на 10%? Или удвоим в атмосфере концентрацию парниковых газов? С пониманием отклика циркуляции атмосферы отчасти могут помочь гидродинамические лабораторные эксперименты с вращающимися системами. Но как быть с глобальной температурой? Ведь второй планеты под боком нет, чтобы провести на ней натурный эксперимент.
Выход найден в построении моделей климата, своеобразных двойников климата, и экспериментов уже с такими моделями. Подобные модели, развиваясь от простых концептуальных или энерго-балансовых, в наши дни доросли до моделей общей циркуляции атмосферы и океана, в которых с помощью конечно-разностных схем (см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить») вычисляются уравнения гидродинамики, переноса излучения, фазовых переходов воды и т. д. По сути, современные климатические модели представляют собой модели прогноза погоды с несколько загрубленным разрешением в атмосфере (вместо километров — десятки километров), но зато с другими интерактивными компонентами (например, растительностью, глубинным океаном, ледниками, углеродным циклом), которые для прогноза погоды не нужны, но для климатических исследований жизненно необходимы.
С климатическими моделями сейчас проводится большое количество экспериментов, в том числе ансамблевых (когда делается не один запуск модели, а десятки и сотни запусков), скоординированных между научными группами (модели сравниваются между собой). Исследуется роль облаков и аэрозолей в климате, роль парниковых газов и естественной изменчивости. В частности, модели показывают, что учет только природных факторов (таких как изменчивость солнечной активности, параметров орбиты, извержения вулканов) не может объяснить современное потепление, а при учете и природных и антропогенных факторов модели воспроизводят потепление достаточно уверенно. Прогнозы климата на основе климатических моделей, сделанные десятки лет назад, успешно оправдываются: модельные расчеты 1970-х годов успешно предсказали рост температуры, более поздние расчеты предсказали и рост океана, и даже ускорение этого роста. Причем оправдались прогнозы, сделанные не только в исследовательских институтах, но и, например, в крупных корпорациях. Ученые по заслугам оценили достижения климатологов, в 2021 году Нобелевская премия по физике была вручена за «физическое моделирование климата Земли, количественный анализ изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления», ее получили С. Манабе и К. Хассельман.
В России численное моделирование климата активно развивается в Институте вычислительной математики им. Г. И. Марчука РАН (ИВМ РАН), Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (ГГО), Гидрометцентре России, Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (ИФА РАН). В ИФА РАН также активно ведется исследование причин климатической изменчивости, связь изменений климата с опасными погодно-климатическими явлениями, эти же вопросы изучаются в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и ряде других организаций.
Успешность моделей в прогнозировании изменений за последние десятилетия позволяет предполагать и корректность прогнозов на следующие десятилетия. Такие прогнозы составляются исходя из сценариев изменений солнечной активности, параметров орбиты, антропогенной деятельности. Представители общественных наук создали несколько возможных сценариев развития общества, при которых по-разному будет развиваться численность населения, урбанизация и образование, тип энергетики, транспорта, сельского хозяйства, что в итоге будет приводить к разным эмиссиям аэрозолей и парниковых газов. В итоге разные сценарии будут приводить и к разному отклику климатической системы: при сценарии устойчивого развития температура к концу века вырастет еще на полградуса, уровень океана поднимется на 40 см, а при сценарии активного использования углеводородов температура к 2100 году может подрасти еще на 3 ºC, уровень моря вырастет почти на метр.
Как реагировать на изменение климата?
Глобальные изменения климата будут приводить к различным последствиям и соответствующим рискам. Границы климатологии начинают расширяться в поле научных дисциплин, захватывая помимо естественно-научных направлений (физика, география, химия, биология) и общественные науки (экономика, политология, социология) и медицинские. Ведь оценка последствий делается не в вакууме, всегда важен объект, находящийся под воздействием, например, оценивается влияние изменений климата на экономику страны, на хозяйственную деятельность региона, города, предприятия, на здоровье и образ жизни человека. Изменение климата может проявляться в разных преломлениях нашей повседневной жизни: от изменения дат отпуска до необходимости переезда в новые районы.
Важной частью климатологии становится наука о механизмах адаптации, приспособлении к новым климатическим условиям. У биологических видов она обычно реактивная: виды реагируют на уже произошедшие изменения и действуют в ответ. У общества и человека есть возможность действовать превентивно, упреждающе: корректно оценив прогнозируемые последствия и риски, ученые подсказывают, что можно сделать уже сейчас, чтобы снизить эффект от отрицательных последствий и усилить — от положительных. Например, климатологи делают прогноз изменения продолжительности навигационного пути на Северном морском пути, прогноз изменения ареалов растениеводства и урожайности, прогноз роста уровня океана и усиления штормовых нагонов, прогноз деградации многолетней мерзлоты и так далее. Имея такие прогнозы на руках, принимающие решения люди лучше понимают необходимость развития портовой инфраструктуры в Арктике, расширения сельскохозяйственных практик, укреплении берегов и так далее. Прогнозы климатологов по тем или иным рискам ложатся в основу планов адаптации регионов и отраслей.
В России вопросами адаптации к изменениям климата занимаются ученые из ГГО, Института географии РАН, Института глобального климата и экологии им. академика Ю. А. Израэля (ИГКЭ). Ученые ИГКЭ также специализируются на вопросах оценки баланса парниковых газов между атмосферой и подстилающей поверхностью. Измерениями и оценкой потоков парниковых газов также занимаются и в ряде других институтов, например в Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, в Институте леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, в Институте космических исследований РАН, в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова (МГУ) и в ряде других организаций. Исследования экономических последствий изменений климата ведутся в Институте народнохозяйственного прогнозирования РАН и в Высшей школе экономики.
Важным результатом последних лет стали количественные оценки рисков при разном уровне глобального потепления: учеными было показано, что риски тем выше, чем выше ожидаемый уровень потепления. А этот уровень, в свою очередь, напрямую зависит от количества парниковых газов, которое человечество дополнительно выбросит в атмосферу. Поэтому бок о бок с изменениями климата происходит глобальный переход на низкоуглеродный путь развития: с каждым годом растет количество энергии, полученной от возобновляемых источников, вводятся новые практики в химической и металлургической отраслях, меняется транспорт, сельскохозяйственные практики. Много работ в последнее время ведется по усилению поглощения углерода экосистемами суши, по разработке систем прямого улавливания углерода из атмосферы. Низкоуглеродное развитие нацелено на сокращение этих выбросов и избежание опасно высокого уровня потепления. И в этой области в последние годы отмечается настоящий научно-технологический бум, в котором участвуют ученые разных направлений: энергетики, науки о материалах, химии, физики, биологии и т. д.
Держат ученые в уме и «план Б»: на случай если низкоуглеродный переход затянется, потепление не остановится, а прохождение ряда критических точек приведет к катастрофическим последствиям. Поэтому на всякий случай оцениваются методы климатической инженерии — направленного воздействия на глобальный климат для получения запланированного результата. Например, есть расчеты по созданию аэрозольного «экрана» в стратосфере, или по воздействию на слоисто-кучевые облака над океаном. Такие исследования ведутся на теоретическом уровне и на уровне численных экспериментов с климатическими моделями: ученые оценивают эффективность методов и побочные негативные эффекты в надежде, что эти методы так и останутся лишь теоретическими и внедряться никогда не будут.
В России исторически много внимания изучению атмосферного аэрозоля уделялось и уделяется в ИФА РАН, МГУ, Институте оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, где также исследуется роль аэрозолей в обменных процессах, в климате, в том числе в климате городов. В МГУ активно развивается городская климатология. Физика верхней атмосферы и связь процессов в этих слоях с климатическими изменениями исследуется в Санкт-Петербургском государственном университете, в Институте солнечно-земной физики СО РАН, Институте космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН.
Нерешенные задачи
Несмотря на то что сделанные более 40 лет назад климатологами прогнозы успешно работают, в климатологии остается большое количество вопросов, которые ждут решения. Так, в основе движения воздуха в атмосфере лежит уравнение Навье—Стокса, одно из великих нерешенных уравнений (одна из «задач тысячелетия»).
Есть и более «приземленные» к климатологии задачи. Например, ученые до сих пор не могут сузить диапазон чувствительности — реакции глобальной температуры на рост концентрации парниковых газов. Так, равновесная чувствительность температуры к удвоению концентрации СО2 в атмосфере оценивается в диапазоне 2–5C°: не сужается этот диапазон ни в модельных расчетах, ни в палеоданных. Причины такого размаха кроются в десятках, а то и сотнях обратных связей, действующих в климатической системе на разных временных масштабах. Особую «головную боль» климатологам приносят обратные связи, обусловленные облаками: ведь облака могут как отеплять планету (за счет парникового эффекта, который каждый из нас может оценить, сравнив между собой температуру воздуха в ясную и пасмурную зимние ночи), так и охлаждать (за счет их альбедного эффекта, который можно ощутить, сравнив температуру в ясный и пасмурный летний день).
В последнее время большое внимание климатологи уделяют критическим точкам в климатической системе, прохождение которых может приводить к масштабным, ускоренным и зачастую необратимым климатическим изменениям. Например, такой точкой может служить прохождение точки стабильности ледника Западной Антарктиды, или прохождение точки перехода лесов Амазонии из поглотителей СО2 в его эмитенты.
Конечно же остаются вопросы в области климатического прогнозирования. Численные модели погоды и климата продолжают совершенствоваться, но до сих пор «серой зоной» прогноза остается диапазон от двух недель до десяти лет. До двух недель неплохо (а в первые дни так и очень хорошо) работает прогноз погоды — прогноз на начальных и граничных данных. Начиная с десяти лет уже удовлетворительно работает прогноз климата, как оценка реакции климатической системы на изменившиеся граничные условия. Но между этими диапазонами ситуация «провисает»: начальные данные в атмосфере «забываются» через две недели (вопрос, почему именно две недели, остается открытым, ряд ученых связывает это со временем полного обновления водяного пара в атмосфере, которое составляет как раз 10–14 дней), что и является пределом предсказуемости прогноза погоды. А граничные условия сильно измениться не успевают. Обывателям можно, конечно, использовать инерционный прогноз в духе «эта весна будет как предыдущая» и «следующий год будет как этот». Но все же ученые работают над проблемой, и сейчас выполняются специальные эксперименты по декадному прогнозу, в частности в моделях усваивается информация от более медленных компонент климата, обладающие более долгой «памятью», чем атмосфера — состояние океана, почвы, морских льдов.
Требует решения и задача по детализации результатов климатического моделирования, по корректному воспроизведению процессов подсеточного масштаба, то есть таких, чей размер гораздо меньше модельной сетки — тех же облаков, или таких опасных явлений, как сильные ливни и шквалы. В подобных задачах могут помочь методы искусственного интеллекта, которые сейчас также широко применяются в климатологии.
Нерешенные задачи только подчеркивают важность науки и научных знаний о климате, которая ставится во главу угла при реализации климатической политики многих стран, в том числе и России, что закреплено в Климатической доктрине Российской Федерации. Адаптация к изменениям климата — одно из приоритетных направлений научно-технологического развития. (подробнее см.ниже главу «Нужно кое-что объяснить»)Поэтому существенная часть исследований ведется в рамках таких крупных программ, как Федеральная научно-техническая программа в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021–2030 годы и Важнейший инновационный проект государственного значения, направленный на создание и развитие Единой национальной системы мониторинга климатически активных веществ, реализуется Национальный план адаптации к изменениям климата (до 2025 года реализуются мероприятия второго этапа этого плана), создается сеть карбоновых полигонов — научно-исследовательских и образовательных полигонов для разработки, испытания и валидации технологий количественной оценки потенциалов эмиссии и поглощения парниковых газов различными типами природных экосистем.
Подводя итог можно отметить, что климатология сегодня — это фундаментальная и прикладная важность научных задач, востребованность результатов обществом и государством, междисциплинарность, возможность заниматься теорией, экспериментами и натурными наблюдениями, обновляющаяся приборная база, сохранившиеся сильные научные школы и международное сотрудничество. Что еще нужно, чтобы заниматься любимым делом?
Нужно кое-что объяснить (примеры и объяснения терминов)
Примеры наблюдений:
1 ARGO — большой наблюдательный международный проект, в котором участвуют научные организации более 30 стран, объединяющий сеть из автоматических наблюдательных буев, передающей спутниковой и принимающей наземной аппаратуры. Основу проекта составляет флот почти из 4000 буев, которые измеряют морские течения, профили температуры и солености в океане (на глубину до 2 км, некоторые буи — до 6 км). В последние годы также стал наблюдаться и химический состав морской воды.
2 Fluxnet — глобальная сеть наблюдений за потоками парниковых газов на метеорологических мачтах, установленных в характерных экосистемах того или иного региона. На сегодняшний день установлено более 900 станций в большинстве регионов мира. В России новые станции Fluxnet появляются в рамках программы «Карбоновых полигонов».
3 GRACE — система двух летящих друг за другом спутников, расстояние между которыми измеряется с очень высокой точностью, что позволяет восстанавливать колебания гравитационного поля Земли.
4 Aeronet — международная система наземных станций дистанционного мониторинга свойств аэрозоля, восстанавливаемых по измерению ослабления солнечного света в ясные дни. Система включает более 600 станций, расположенных на всех континентах планеты (и на некоторых островах в Мировом океане).
5 RAPID— система наблюдений за циркуляцией воды в Атлантическом океане (точнее — за Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляцией), включающая подводный кабель во Флоридском проливе, массив заякоренных буев в открытом океане, датчиков давления на дне океана, и данные спутниковых измерений.
6 Спутники Арктика-М — Спутниковые наблюдения — один из самых ценных источников информации о климатических процессах. Обычно наблюдения ведутся со спутников на высокой геостационарной орбите (такие спутники вращаются вместе с Землей, они как бы «зависают» в точке над экватором, позволяют получать информацию с дискретностью до 5 минут, но видят лишь небольшую область под собой) или на низкой околоземной (такие спутники делают обороты вокруг Земли, пролетают над всеми регионами, но у них большая скважность по времени). Интересная «комбинация» — высокоэллиптическая орбита. Такая орбита — у российских метеорологических спутников «Арктика-М», она позволяет им быстро пролетать над Антарктикой и как бы «зависать» над Арктикой.
8 Дрейфующие станции «Северный полюс» — уникальный дрейф вмерзшего в лед Фрама советские ученые решили «поставить» на регулярные рельсы. Дрейфующие станции «Северный полюс» (в первой участвовали видные ученые Папанин, Федоров, Ширшов), которые стали устанавливаться на многолетних льдинах в Арктике, позволили получить уникальную информацию в области океанологии, физики и динамики льдов, метеорологии, геофизики (наблюдения в ионосферном и магнитном полях), гидрохимии, гидрофизики, биологии моря. В последние годы в связи с таянием морского льда найти льдину, пригодную для установки аппаратуры становилось все сложнее, со 2 октября 2022 года наблюдения ведутся на современной станции (СП-41) — специально построенном научно-исследовательском судне, которое вмораживается в лед.
Дистанционное зондирование: Существенная часть информации о климате и процессах в климатических оболочках получены с помощью данных дистанционного зондирования — активных или пассивных. При активном зондировании прибор посылает сигнал (например, лидары посылают световой импульс, содары — звуковую волну, радары — радиосигнал) и потом принимает отраженный сигнал. Решение обратной задачи позволяет, сопоставляя эти сигналы, восстанавливать свойства среды. При пассивном зондировании приборы принимают излучение в разных длинах волн (в широких или узких спектральных каналах, в разных диапазонах — видимом, инфракрасном, микроволновом и т. д.) и дальше задача решается на основе сравнения этого фактического излучения с эталонным. Приборы могут располагаться на спутниках или на земле. Часто используется совокупность разных методов, например на запущенном в мае этого года спутнике EarthCare для исследования облаков и аэрозолей установлены и радар, и лидар, и пассивный зондировщик.
Изотопы углерода и изменение климата: «эффект Зюсса»: В природе существует три изотопа углерода — устойчивые 12С и 13С и неустойчивый 14С, чье время полураспада составляет 5700 лет. В середине 1950-х годов ученый Ханс Зюсс открыл изменение изотопного состава углекислого газа, а именно — сокращение изотопов 14С и 13С. Поскольку деревья в процессе фотосинтеза «предпочитают» фиксировать более легкий изотоп углерода (12С) и учитывая время полураспада 14С, в ископаемом топливе 13С и 14С содержатся в меньших пропорциях, чем в остальных оболочках климатической системы. Уменьшение доли этих изотопов в атмосферном СО2 —важное доказательство того, что источник- роста концентрации СО2 — именно сжигание ископаемого топлива. Эффект получил название «эффект Зюсса».
Ледниковые керны: Ледниковые керны представляют собой цилиндры льда, извлеченные из ледников и несущие в себе полезный сигнал о климате прошлого. В частности, пузырьки воздуха в таких кернах представляют собой полезную информацию о хорошо перемешанных газах (например, таких, как СО2 или СН4) и позволяют восстановить состав атмосферы на тысячи лет назад. Правда, учитывая особенность формирования льда и достаточно длительное замыкание пузырьков воздуха, временная точность восстановления ухудшается для более далеких от современности периодов. Прорывом стало появление непрерывной реконструкции количества парниковых газов в атмосфере для последних 400 тысяч лет, полученной на основании ледниковых кернов из Антарктиды со станции Восток. Сейчас более длительная реконструкция (на 800 тысяч лет) получена со станции EPICA Dome-C.
Модели климата: Модели климата развились от концептуальных (например, можно вспомнить модель климата Эратосфена, который выделял пять климатических поясов) до энерго-балансовых (в которых температура вычислялась в зависимости от величины приходящей и уходящей энергии) и далее — до моделей общей циркуляции атмосферы и океана (в которых численно решаются уравнения гидродинамики), и позже — моделей земной системы. В таких моделях наряду с динамикой атмосферы и океана происходят вычисления и в других «соседних» блоках: углеродный цикл, перенос радиации, трансформация аэрозолей, химия атмосферы, интерактивная растительность и т. д.
Конечно-разностные схемы: Совокупность схем (явные, неявные и т. д.), позволяющих получить приближенное решение дифференциальной задачи, сводя ее к конечной системе простых уравнений, по сути, представляя гладкую функцию в виде коротких прямых отрезков.
Начальные и граничные данные: В прогнозе погоды важны и начальные и граничные условия, задающие поведение системы уравнений, которое решается в численных климатических моделях (включает в том числе уравнение гидродинамики, уравнение неразрывности, уравнение идеального газа). В климатических проекциях важны граничные условия, по сути — характер внешнего возмущающего воздействия, например, как будет меняться солнечное излучение, параметры орбиты, воздействие вулканов, поток аэрозолей и парниковых газов вследствие антропогенной деятельности.
Усвоение данных: Важная часть моделей прогноза погоды — блок по усвоению данных наблюдений, который, фильтруя по ходу некорректную информацию, переводит множество чисел, полученных с разных источников, в поле начальных условий, с которых «стартует» прогнозная гидродинамическая модель.
Меры адаптации: Как правило, может быть несколько различных вариантов адаптации того или иного объекта к климатическому воздействию — это могут быть как «твердые» меры, включающие какие-то технологические решения («серые мероприятия») или решения, основанные на природе («зеленые мероприятия»), так и «мягкие» меры (поведенческие, управленческие, законодательные подходы). Та или иная мера обладает разной эффективностью, и зачастую выгодно применять совокупность мер. Например, чтобы снизить влияние жары на городское население, можно заниматься установкой кондиционеров (хотя бы в транспорте, социальных объектах), увеличивать количество зеленых насаждений, добавлять водные объекты, просвещать население о поведении в жару, разрабатывать приложения с такой информацией, менять отпуска врачей, график работы, которая проводится под открытым небом и так далее.
Прогноз Будыко: Советский академик Михаил Иванович Будыко был одним из ведущих климатологов мира в XX веке, оценивший в том числе тепловой баланс Земли, создавший первую энерго-балансовую модель (и просчитав с ее помощью вариант «Белой Земли» — планеты, покрытой льдом или снегом), предлагавший различные воздействия на региональный (нанесение сажи на арктический лед) или глобальный (добавление сульфатных аэрозолей в стратосферу) климат. В начале 1970-х Будыко на основе собственной энерго-балансовой модели сделал и достаточно точный прогноз изменений глобальной температуры, как функции роста концентрации СО2, который до сих пор оправдывается. Будыко сделал этот прогноз исходя из предположения роста темпов производства энергии (на 4–6% ежегодно). Прогноз не учитывает влияние других парниковых газов, например метана, но также и не учитывает охлаждающее воздействие аэрозолей, что, по-видимому, до определенной степени компенсирует друг друга.
«Остановка Гольфстрима»: Одной из критических точек в климатической системе считается замедление (и возможная гипотетическая остановка) Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции, которое происходит из-за усиления таяния морских льдов в Арктике и замедления образования соленых вод в море Лабрадора. В СМИ это явление ошибочно называют «остановкой Гольфстрима» (хотя Гольфстрим, являясь поверхностным течением, слабо связан с глубинной циркуляцией), особенную популярность приобрело после фильма «Послезавтра».
Использование искусственного интеллекта в климатологии: Методы искусственного интеллекта используются в климатологии уже давно и находят применение в распознавании и классификации объектов и паттернов (например, поиск определенных объектов в данных спутниковых наблюдений), в улучшении разрешения выходных полей модели (например, для уточнения пространственного разрешения прогноза и воспроизведения мелких процессов подсеточного масштаба), в прогнозировании погоды и климата (например, в сверхкраткосрочном прогнозе опасных явлений при использовании данных погодных радиолокаторов, или в декадном прогнозе при моделировании динамических рядов данных). В целом климатология уже давно является наукой о данных (и о выявлении закономерности в данных), поэтому в ней применяется большинство существующих методов статистического анализа данных.
Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571(и всемерной поддержке Физтех-Союза)