Experiment strategy (basic)

Projekt climateprediction.net składa się z trzech odrębnych eksperymentów - pierwszy do zbadania używanego modelu, drugi do sprawdzenia jak modele odtwarzają klimat z przeszłości i trzeci, by w końcu przedstawić prognozę klimatu dla XXI wieku. Każdy z modeli, które dystrybuujemy będzie używany dla wszystkich trzech eksperymentów. Każdy rozprowadzony model jest niepowtarzalny i różni się od wszystkich innych na trzy sposoby: warunki początkowe w jakich jest uruchomiony, atrybutów, które wymuszają na nim jeden konkretny stanu klimatu i parametry, które tworzą rzeczywisty model.

Każdy model klimatu musi posiadać pewną liczbę przybliżeń, zwanych parametryzacją. Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, kliknij tutaj. Zasadniczo oznacza to, że w modelu są pewne liczby, które biorą pod uwagę pewne stałe wartości, ale wartość ta nie jest znana na pewno i zakres wartości może również być prawdopodobny. Eksperymenty zbada wpływ na modelowany klimat 20-tu najbardziej źle rozumianych parametrów modelu - takich jak stosunek między liczbą kropel w chmurze a ilością faktycznych opadów (aby zobaczyć te parametry kliknij tutaj). Jest możliwe, że niektóre kombinacje parametrów mogą odtwarzać klimat z przeszłości bardzo dobrze, ale podają znacznie odmienne prognozy na to co może się wydarzyć w przyszłości. Niektóre kombinacje parametrów nie będą działały, dostarczając całkowicie nierealny klimat (na przykład Ziemia zamarza lub oscyluje między bardzo gorącym i bardzo zimnym klimatem co kilka lat) i prawdopodobnie psując model. Nie jest możliwe aby poinformować z wyprzedzeniem jakie będą kombinacje.

Niektóre rzeczy, które uważasz, że nie są częścią klimatu wywierają ogromny wpływ na zmiany klimatyczne - takie jak wybuchy wulkanów (po Pinatubo który wybuchł w 1991 popiół miał wpływ na klimat przez kilka lat), aktywność słoneczna i oczywiście skład atmosfery. Te zjawiska nazywamy mechanizmem wymuszenia. Jeśli się zmieniają, wtedy wymuszają zmiany klimatyczne.

"Trzepot skrzydeł motyla w Brazylii może spowodować tornado w Teksasie". Ten słynny cytat dotyczy faktu, że bardzo niewielkie różnice w tym, co dzieje się na świecie teraz może mieć ogromny wpływ na to, co stanie się w przyszłości. Ponieważ nie możemy mieć doskonałej wiedzy o tym, co dzieje się teraz (do skali poszczególnych motyli), oznacza to więc, że do przedstawienia pełnej prognozy wszystkiego co może się wydarzyć w przyszłości, musimy wziąć pod uwagę wszystko, co może się dziać teraz. Aby to zrobić, musimy użyć zakresu warunków początkowych dla naszych modeli kiedy rozpoczynamy prognozowanie klimatu.

 

 

 

Eksperyment	Cel	Metodologia
1 Czułość modelu na parametry.	Określenie odpowiednich zakresów parametrów.	Każda symulacja obejmuje 3 etapy: Kalibracja (15 lat) Przedprzemysłowe CO2 (15 lat) Podójne CO2 run (15 lat)
2 Symulacja lat 1920-2080	Ocena umiejętności modelu poprzez porównanie z klimatem z przeszłości. Prawdopodobieństwo przewidywania przyszłego klimatu.	Uruchomienie modelu z warunkami początkowymi, wymuszeniami i parametrami.

 

---

Ten eksperyment ma bardziej na celu uczenie się, w jaki sposób model reaguje na zmiany warunków początkowych i parametrów, niż na zdobywanie wiedzy o odtwarzaniu klimatu Ziemi. Z tego powodu używany model ma udoskonaloną atmosferę, ale uproszczony ocean (jednowarstwowy, "płyta" oceanu). Oznacza to, że niektóre elementy systemu klimatycznego (takie jak prądy oceaniczne, oscylacje El Nino) nie są odzwierciedlane, ale model przebiega dużo szybciej i dużo więcej obliczeń może być zakończone.

Wiedza uzyskana z tego eksperymentu o sposobie w jaki model reaguje na zmiany parametrów zostanie wykorzystana do opracowania kolejnych faz eksperymentu climateprediction.net - kombinacji parametrów które oczywiście nie działają, można uniknąć.

Eksperyment składa się z 3 etapów, a każdy model, który jest rozpowszechniany uzupełnia wszystkie 3 etapy w unikalny zestaw warunków początkowych:

Kalibracja (etap 1)

Faza 1 jest fazą kalibracji eksperymentu. W tej fazie temperatura powierzchni oceanu jest niezmienna. Ruch lub strumień ciepła, do lub z oceanów potrzebny do utrzymania oceanu w stałej temperaturze jest obliczany. Jest to proste rozwiązanie, aby mieć bardzo prosty model oceanu, który nie może przechowywać ciepła w sposób prawdziwy, głęboki. Złożony ocean może. Etap obejmuje lata 1810-1825.

Przedprzemysłowe CO₂ (etap 2)

Jest to etap kontroli. Wymaga to uruchomienia modelu na 15 lat z poziomem CO₂ w modelu atmosfery utrzymywanym na stałym poziomie sprzed rewolucji przemysłowej, 282ppm. W przeciwieństwie do etapu 1, tutaj temperatura powierzchni oceanu może się różnić w zależności od tego jak dużo energii ocean odbiera i wysyła. Można jednak śmiało założyć, że ilość ciepła krążąca w oceanie jest taka sama jak w etapie 1, więc ciepło strumieni obliczane w etapie 1, jest stosowane. O ile atmosfera zaczyna robić coś zupełnie innego, a bilans energetyczny na szczycie atmosfery zmienia się, to temperatura całej atmosfery powinna pozostać bez zmian. Jeśli jest to przypadek, średnia temperatura powierzchni na świecie powinna być w przybliżeniu stała i nie zmieniać się znacząco z roku na rok lub mieć tendencję do bardzo różnych temperatur, i mówimy, że model jest stabilny. Etap obejmuje lata 1825-1840.

Podwójne CO₂ (etap 3)

Na tym etapie poziom emisji gazów cieplarnianych jest podwojony, a model jest realizowany przez kolejne 15 lat. W dobrym modelu, atmosfera powinna dostosować się do tej zmiany, i uregulować w nowym stabilnym stanie równowagi (który może być taki sam, cieplejszy lub chłodniejszy). Etap obejmuje lata 2050-2065.

Wyniki będą wskazywać, jakie kombinacje parametrów działają (w zakresie wytwarzania atmosfery, która zachowuje się w podobny sposób do rzeczywistości i nie zamraża się lub gotuje, albo tworzy epoki lodowcowe w czasie kilku lat). Będziemy zatem mieć możliwość wykorzystania wyników aby dokonać wyboru parametrów w głównym eksperymencie.

Porównując etapy pojedynczego i podwójnego CO₂, możemy obliczyć wrażliwość klimatu w modelach - jest to różnica pomiędzy średnią temperaturą powierzchni na świecie w modelu z przedprzemysłowym CO2 a tym ze zdwojoną ilością CO2. Jest to użyteczny wskaźnik pokazujący jak zachowuje się model klimatu, choć jest nieco sztuczny, jako że wartość dwutlenku węgla w atmosferze nie jest stała dla 15 lat, ale zmienia się w sposób ciągły.

[Uwaga: eksperyment uruchomiony we wrześniu 2003 roku..]

W rozszerzeniu do tego eksperymentu, wprowadzona została 4 faza: Thermohaline Circulation Experiment na kilka miesięcy od czerwca 2004.

We wrześniu 2005 r. uruchomiono 5 fazę: Sulphur Cycle Experiment, która była realizowana przez kilka miesięcy.

Drugi eksperyment będzie używał pełnego, połączonego modelu atmosfery i oceanu. Oznacza to, że ocean jest w stanie odpowiedzieć na więcej zmian w atmosferze niż w eksperymencie 1, dając nam pełniejszą symulację klimatu. Eksperyment będzie używał:

• Kombinacji parametrów, które zostały zidentyfikowane w eksperymencie 1, tj. takich, które działają stabilne i tworzą trwały klimat

• Zakresu warunków początkowych takich samych, jak używanych w eksperymencie 1.

• Eksperyment będzie posiadał wymuszenia poprzez obserwacje CO₂, wybuchy wulkaniczne itp. z lat 1920-2000 i zakres możliwych scenariuszy, co może się zdarzyć w ciągu najbliższych 100 lat.

Korzystając z każdego modelu do produkcji retrognozy (określenie stanu pogody w przeszłości na podstawie statystycznego prawdopodobieństwa - przyp. tłum.) lat 1920-2000, a następnie porównując prognozy z tym co się właściwie stało, będziemy mieli obraz jak dobre są nasze modele - czy większość z nich dobrze odtwarza co się właściwie stało? To również pozwala nam określić "rangi" modeli w zależności od tego jak dobrze działają. Wszystkie modele będą również wykorzystywane do produkcji prognoz na przyszłość - do 2080 roku. Kiedy ten eksperyment się zakończy, będziemy mieli szereg prognoz klimatu dla XXI wieku.

Istnieje problem czasu w odniesieniu do oceanu. Pojemność cieplna oceanów jest tysiące razy większa niż atmosfery, dlatego osiągnięcie stanu równowagi przez ocean trwa znacznie dłużej niż atmosfery. Dlatego długa faza "rozkręcania się" jest wymagana przed możliwym przeprowadzeniem eksperymentów z wykorzystaniem modeli oceanu. Jeśli nie zostanie to zrobione, ocean może wciąż dostosowywać się do rozpoczęcia warunków eksperymentu, a model będzie już przetwarzał narzucone warunki początkowe i stan równowagi wystąpi dopiero na koniec eksperymentu.

W ramach przygotowań do uruchomienia w połączeniu, sprawdziliśmy i porównaliśmy wyniki z różnych (w rozdzielczości i topografii) modeli i metod "rozkręcania się", przed podjęciem decyzji o ostatecznym projekcie. Posiadamy również wybrane parametry fizyczne i ich zakresy, które zakłócają modele oceanu. Stworzyliśmy maski obejmujące odpowiednie baseny oceaniczne i inne konkretne obszary zainteresowania, w celu wymuszenia zmienności w czasie diagnostyki oceanu, takich jak ciepło i zawartość wody słodkiej. Stworzyliśmy również korektę obszarów strumieni, które zostaną wykorzystane w fazie "rozkręcania się" w celu utrzymania realistycznego klimatu powierzchni oceanu.

Połączony model działa asynchronicznie, co oznacza, że najpierw przez jakiś czas działa model atmosfery a potem trwa model oceanu. W tym eksperymencie poszczególne składniki działają na zmianę przez jeden dzień.

[Uwaga: eksperyment uruchomiony w lutym 2006 roku.]

---

Ten eksperyment to nic innego jak kontynuacja eksperymentu 2, z tym że zamiast obserwacji mechanizmów wymuszania użyjemy wachlarzu możliwych scenariuszy, co może się zdarzyć w ciągu najbliższych 100 lat - w zakresie emisji gazów cieplarnianych, wybuchów wulkanów, aktywności słonecznej itp.

Kiedy ten eksperyment się zakończy, będziemy mieli szereg prognoz klimatu dla XXI wieku. Ostatnim etapem jest określenie "wagi" każdego modelu w zależności od pozycji w rankingu w eksperymencie 2 - tak, na przykład, jeśli model, który działał bardzo dobrze w eksperymencie 2 i przewiduje ocieplenie o 2 stopnie, i inny który działał źle w eksperymencie 2 przewiduje ocieplenie o 10 stopni, to wierzymy pierwszemu.

Wreszcie, mamy nadzieję, że wytworzymy najbardziej kompletne probabilistyczne prognozy klimatu na następne stulecie.

[Uwaga: eksperyment uruchomiony w lutym 2006 roku.]

click here to read about the experimental strategy in more detail.

Translation by kempler (BOINC@Poland)