Лаборатория разработки и тестирования климатических моделей

Лаборатория создана в ноябре 2022 года.
Руководитель: Гаврилов Андрей Сергеевич, к.ф.-м.н.
В штате лаборатории 19 сотрудников, из них 9 имеют степень кандидата физико-математических наук.

Лаборатория ведёт исследования по двум основным направлениям:

Первое направление связано с углублённым анализом (верификацией) воспроизводимости реальной климатической системы Земли глобальными климатическими моделями, среди которых отдельное внимание отводится модели Земной системы института вычислительной математики (ИВМ) РАН – единственной российской модели, участвующей в международном проекте по сравнению климатических моделей (CMIP).
Второе направление связано с разработкой блоков параметризаций электрических явлений для модели Земной системы ИВМ РАН и его включением в данную модель.

Основные научные результаты:

1. Проведено сравнение двух методов разложения пространственно распределенных данных на предмет физической адекватности получаемого с помощью них модового состава климата. Эти методы отличаются от других подобных методов тем, что при разложении фокусируются на учёте важного свойства, присущего модам климата как динамической системы – наличия у получаемых мод собственных временных масштабов. Первый метод (ЛДМ) был ранее создан участниками лаборатории, а второй (APT), достаточно известный, был принципиально усовершенствован. На примере расчёта глобального модового состава климатической модели ИВМ РАН установлено, что оба метода дают качественно похожие результаты, с небольшим преимуществом метода ЛДМ в задаче фильтрации шума. При этом метод ЛДМ имеет на порядки более высокую ресурсоемкость, что не позволяет его полноценно применять. В результате был сделан вывод о целесообразности применения усовершенствованного метода APT в задаче анализа мод климата.

2. Проанализирован модовый состав глобального климата по реализациям, моделирующим изменения климата в 1850–2014 годах в различных климатических моделях CMIP6, включая модель ИВМ РАН, на межгодовых, декадных и мультидекадных масштабах. Установлено, что почти во всех рассмотренных моделях CMIP6 (в том числе, в модели ИВМ РАН) присутствует медленная изменчивость, имеющая физическую интерпретацию в терминах известных мод климата. Кроме того, во всех климатических моделях имеются моды, соответствующие известной паре явлений Эль-Ниньо – Тихоокеанское десятилетнее колебание, имеющей межгодовые и декадные масштабы. Тем не менее, все найденные моды значительно отличаются по структуре в разных климатических моделях.

3. Рассмотрены теоретические основы параметризации сторонних источников глобальной электрической цепи (ГЭЦ) в разных областях земной поверхности для использования в моделях динамики атмосферы. Разработана блок-схема и предложено техническое решение по имплементации вычислительного блока параметризаций сторонних источников ГЭЦ (Блок «Источники») в климатическую модель ИВМ РАН. В качестве основы для разработки технического облика вычислительного блока используется разработанная параметризация вкладов в ионосферный потенциал со стороны источников ГЭЦ для моделей динамики атмосферы.

4. Рассмотрены теоретические основы параметризации молниевых вспышек для использования в моделях динамики атмосферы. Установлено, что для решения задачи параметризации молниевой активности на климатических масштабах необходимо правильно параметризовать «посредника» между крупномасштабными и мелкомасштабными явлениями. Разработана блок-схема и предложено техническое решение по имплементации вычислительного блока параметризаций молниевых вспышек (Блок «Вспышки») в климатическую модель ИВМ РАН. Технический облик данного блока параметризаций предполагает возможность имплементации сложных, в том числе перспективных параметризаций молниевой активности.