CC BY
15НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология № 2 2020
УДК 551.582;551.583
Канд. техн. наук Н.Р. Юничева1
Канд. физ.-мат. наук Д.Б. Нурсеитов2
Канд. географ. наук И.Б. Есеркепова1
Доктор PhD К.А. Бостанбеков
2
2
Доктор PhD А.Н. Алимова
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРЕДПРОЦЕССИНГОВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ГЛОБАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ РЕГИОНАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПЕРВОГО ПРИОРИТЕТНОГО ПЕРИОДА ПРОГРАММЫ CORDEX
Ключевые слова: климат, изменение климата, парниковые газы, климатические модели, автоматизация
В работе представлен созданный архив данных, полученных при реализации ГКМ (глобальные климатические модели) из списка проекта ПССМ5, одним из преимуществ которого является включение в его программу серии специальных экспериментов по моделированию, основанных на заданных потоках радиационной концентрации (ПРК). Созданный архив необходим для проведения исследований, для улучшения знаний об изменении климата Земли в рамках международного проекта «Эксперимент по скоординированному региональному даунскейлингу климата (CORDEX)», в котором РКМ сопряжены с несколькими ГКМ из списка ПССМ5.
Введение. Необходимость исследований изменчивости и изменения климата обусловлена зависимостью от них многих жизненных показателей человечества, таких, например, как здоровье, безопасность жизнедеятельности, благополучие. Во всем мире был создан ряд программ и проектов, отвечающих за реализацию этих исследований. Осознавая растущую озабоченность в связи с опасностью необратимых изменений, происходящих в природной среде, Всемирная метеорологическая
1 Институт информационных и вычислительных технологий МОН РК, Казахстан
2 Казахский Национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева, г. Алматы, Казахстан
94
организация (ВМО) взяла на себя ведущую роль в проведении исследований изменений климатической системы и ее влияния на человечество, мировую энергетику и производство продовольствия, а также запасы воды [1]. Все работы в области климата основаны, в первую очередь, на наблюдениях за, так называемыми, климатическими индикаторами, выбор которых зависит от различных факторов. Сбор данных наблюдений является процессом со своими особенностями и сложностями, связанными, например, с мощностью и локацией оборудования, экономическими затратами и т.д. Но не менее важную часть исследования составляют непрерывная обработка и архивация этих данных, которые являются исходными или входными для климатических моделей. Последние широко используются для исследований изменений климата под воздействием антропогенных и природных факторов. Глобальные климатические модели (ГКМ) предназначены в основном для представления климатических процессов в глобальном масштабе и используются при составлении климатических сценариев. Климатический сценарий описывает вероятный будущий климат, смоделированный для изучения возможных последствий изменения климата в результате деятельности человека, но он также должен отображать будущие условия, которые объясняются природной изменчивостью климата. Доклады Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) являются соответствующим источником информации о будущих климатических сценариях во временных масштабах от нескольких десятилетий до столетия [1]. ГКМ обеспечивают необходимые способы изучения изменчивости и изменения климата в прошлом, настоящем и будущем.
В результате пятого этапа Проекта сравнений связанных моделей (ПССМ5), утвержденные ГКМ рассматриваются в качестве целесообразного средства для обеспечения полезных проекций будущего климата. А именно, Пятый оценочный доклад МГЭИК (ОД5) содержит проекции, основанные на ряде возможных значений радиационного вынуждающего воздействия в 2100 году по отношению к доиндустриальным значениям (+2,6; +4,5; +6.0 и +8,5 Вт/м2) [5]. Эти потоки называются потоками радиационной концентрации (ПРК 2.6, 4.5, 6 и 8.5). Использование ПРК как входных данных в модели климата является новейшим подходом к получению описаний возможных перспективных оценок будущего климата. Так как ГКМ не могут
95
обеспечивать напрямую информацию для масштабов, которые меньше, чем их собственное разрешение, то были разработаны региональные климатические модели (РКМ), имеющие более высокое разрешение для ограниченного пространства. Поскольку РКМ управляются, главным образом, ГКМ, надлежащее функционирование ГКМ имеет первостепенную важность для моделирования в меньшем масштабе.
Создание архива данных ГКМ из списка ПССМ5. В работе описывается создание архива данных, полученных при реализации ГКМ из списка проекта ПССМ5, одним из преимуществ которого является включение в его программу серии специальных экспериментов по моделированию, основанных на заданных потоках радиационной концентрации (ПРК). Созданный архив необходим для проведения исследований для улучшения знаний об изменении климата Земли в рамках международного проекта «Эксперимент по скоординированному региональному даунскейлингу климата (CORDEX)», в котором РКМ сопряжены с несколькими ГКМ из списка ПССМ5.
Использование стандартного набора симуляций моделей в ПССМ5 позволяет оценить их реалистичность при моделировании недалекого прошлого, а также предоставить прогнозы будущего изменения климата в двух временных масштабах: ближайшем (до 2035 года) и долгосрочном (до 2100 года и далее). Более того, ПССМ5 поддерживает стандартный набор симуляций моделей и для того, чтобы обозначить некоторые факторы, ответственные за различия в модельных проекциях, включая количественную оценку некоторых ключевых обратных связей, которые связаны с облаками и углеродным циклом.
На четвертом этапе оценок Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК4) рассматривались сценарии выбросов парниковых газов. На пятом этапе (МГЭИК5) предлагается использование заданных (исходных) потоков радиационной концентрации (ПРК). В качестве источника данных выступают различные уровни стабилизации радиационного воздействия до 2100 г. Заметим, что предложенные исходные ПРК не обеспечивают полную интегрированность сценариев проекта ПССМ5. Тем не менее они позволяют исследовать актуальные вопросы социально-экономического, климатического и экологического будущего: моделирование климата, масштабирование моделей и химическое моделирование атмосферы.
96
Как известно [5], независимые группы разработали четыре различных способа моделирования климата: ПРК 2.5, ПРК 4.5, ПРК 6 и ПРК 8.5, которые соответствуют сценариям с соответствующими уровнями стабилизации 2.5, 4.5, 6.0 и 8.5 ppm, приведенными на рисунке 1. Наивысший приоритет согласно ПССМ5 имеют уровни ПРК 4.5 и ПРК 8.5.
IPCC AR5 Greenhouse Gas Concentration Pathways
Representative Concentration Pathways (RCPs) from the fifth Assessment Report by the International Panel on Climate Change 1250
1150
1050
Q.
~ 950 с <D
ш 850 >
о- 750 <1)
g 650 ° 550 450 350
^ ^ ^ fP ^ ^ г^ г^
Рис. 1. Траектория концентрации парниковых газов Пятого оценочного
доклада МГЭИК [3].
Глобальная служба предоставляет индикаторы воздействия на климат (CII) с пространственным и временным разрешением, отличным от современной производственной цепочки, начиная с результатов ГКМ, за которыми следуют масштабирование и корректировка смещения, до воздействия на моделирование и расчетов индикаторов. В течение 2017 года ВМО совместно с партнерскими организациями, включая организации, участвующие в Глобальной системе наблюдения за климатом (ГСНК) и Всемирной программе исследования климата (ВПИК), приступила к подготовке окончательного списка «ключевых» индикаторов, позволяющих отследить изменения в системе физического климата. Для отражения глобального изменения климата мировым научным сообществом были выделены следующие «ключевые» индикаторы: глобальная среднегодовая приземная температура, содержание тепла в океане, концентрация двуокиси углерода в атмосфере, глобальный средний уровень моря, изменения протяженности или массы криосферы, глобальные осадки [2].
97
Первоначальным источником данных глобальной климатической модели является проект сравнения климатических моделей (ПССМ5) МГЭИК, использующий 19 моделей общей циркуляции с разрешением 2 градуса (табл. 1), которые доступны в хранилище климатических данных C3S [3].
Таблица 1
Глобальные климатические модели, используемые для получения индикаторов воздействия на климат
Институт Наименование ГКМ Сценарий Разрешение:
широта долгота
CSIRO-BOM ACCESS1-0 historical, rcp45, rcp85 1,25 1,875
CSIRO-BOM ACCESS1-3 historical, rcp45, rcp85 1,25 1,875
BNU BNU-ESM historical, rcp45, rcp85 2,7906 2,8125
IPSL IPSL-CM5A-MR historical, rcp45, rcp85 1,2676 2,5
IPSL IPSL-CM5A-LR historical, rcp45, rcp85 1,8947 3,75
IPSL IPSL-CM5B-LR historical, rcp45, rcp85 1,8947 3,75
MPI-M MPI-ESM-MR historical, rcp45, rcp85 1,8653 1,875
MPI-M MPI-ESM-LR historical, rcp45, rcp85 1,8653 1,875
MOHC HadGEM2-ES historical, rcp45, rcp85 1,25 1,875
MOHC HadGEM2-CC historical, rcp45, rcp85 1,25 1,875
NCC NorESM1-M historical, rcp45, rcp85 1,8947 2,5
NOAA-GFDL GFDL-ESM2G historical, rcp45, rcp85 2,0225 2,5
GFDL-ESM2M GFDL-ESM2M historical, rcp45, rcp85 2,0225 2,5
NOAA-GFDL GFDL-CM3 historical, rcp45, rcp85 2 2,5
CNRM-CERFACS CNRM-CM5 historical, rcp45, rcp85 1,4008 1,40625
INM INM-CM4 historical, rcp45, rcp85 1,5 2
BCC BCC-CSM1.1 historical, rcp45, rcp85 2,7906 2,8125
BCC BCC-CSM1.1(m) historical, rcp45, rcp85 2,7906 2,8125
ICHEC EC-EARTH historical, rcp45, rcp85 1,1215 1,1215
В оптимальном случае, все региональные модельные эксперименты CORDEX должны охватывать период 1951...2100 гг. для того, чтобы включить последний исторический период и весь XXI век. Для многих исследовательских групп расчеты при моделировании CORDEX для всего вышеуказанного периода могут оказаться слишком трудоемкими. Поэтому целесообразно разделить период 1951...2100 гг. на пять 30-летних временных отрезков, причем порядок приоритетности, следующий: 1981...2010 гг., 2041...2070 гг., 2011...2040 гг., 2071...2100 гг. и 1951... 1980 гг. Первый период (1981...2010 гг.) является исходным для оценки модели и расчета изменения климата. Второй временной отрезок, охватывающий будущий период, был выбран как компромисс между потребностями сообщества, с точки зрения будущего периода времени, и
98
потребностями в получении четкого сигнала изменения. Все участвующие группы должны, как минимум, выполнить расчеты для этих двух временных отрезков, чтобы иметь приемлемый ряд модельных экспериментов для анализа и взаимного сравнения.
Ключевым аспектом программы CORDEX является наличие высокопроизводительных вычислительных средств и управление большим количеством требуемых входных данных моделей, а также выходная продукция моделей и взаимное сравнения. Результаты моделирования необходимо хранить так, чтобы они были легко доступными для конечных пользователей. Также требуется стандартизация форматов (в соответствии с нормативами формата ПССМ5).
Заключение. Таким образом в нашем исследовании сформирован архив данных из 19 глобальных моделей климата (ПССМ5), указанных в таблице 1, по трем сценариям: историческому, ПРК 4.5 и ПРК 8.5. В качестве источника для скачивания данных выбран домен «Центральная Азия», имеющий официальное обозначение CORDEX. Для проведения эксперимента используются три индикатора: минимальная температура, максимальная температура и осадки. Сервис для скачивания предоставляет ежесуточные данные по указанным параметрам для следующих периодов: исторические с 1950 по 2005 гг., ПРК 4.5 и ПРК 8.5 с 2006 по 2100 гг. На рисунках 2...3 представлены изменения средней температуры, являющийся основным индикатором воздействия на климат, по сценариям ПРК 4.5 и ПРК 8.5 для периода 2071...2100 гг. с пространственным разрешением 2 градуса из ансамбля глобальных моделей климата. Как видно из данных на рисунках, для Центральной Азии повышение температуры наблюдается от 2 оС до 4 оС по сценарию ПРК 4.5, и от 4 оС до 7 оС по сценарию ПРК 8.5. Наибольшие изменения температуры прогнозируются на территории Арктики.
99
Рис. 2. Индикатор воздействия на климат (С11). Средняя температура по сценарию ЯСР 4.5 для периода 2071...2100 гг.
Рис. 3. Индикатор воздействия на климат (CII). Средняя температура по сценарию RCP 8.5 для периода 2071...2100 гг.
Для дальнейшего сравнения и анализа данных с результатами расчета, полученные данные были усреднены по месяцам с помощью разработанного членами исследовательской группы скрипта, написанного на языке Python. В результате был сформирован архив данных глобальных моделей климата из списка ПССМ5 для использования в исследовании в рамках проекта CORDEX для первого приоритетного периода.
100
Данная работа выполнена при поддержке грантового
финансирования научных проектов КН МОН РК №АР05135848
«Моделирование будущего климата Центральной Азии в рамках
международного проекта CORDEX (Coordinated Regional climate Downscaling Experiment)».
1. Руководство по климатологической практике. - Изд. ВМ0-№100, 2018 г. - С. 182.
2. Climate Change 2013: The Physical Science Basis [Электронный ресурс] / Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)] - Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013 -. - Режим доступа: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/WG1AR5_SummaryVolu me_FINAL.pdf
3. Climate Now by Copernicus / Climate Change Service - 20192013 -[Электрон. ресурс]: https://climate.copernicus.eu/
4. File:All forcing agents CO2 equivalent concentration.png [Электронный ресурс] / From Wikipedia, the free encyclopedia - 2011 -. - Режим доступа: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=File:All_forcing_ agents_CO2_equivalent_concentration.png
5. Williams M., Eggleston S. Using indicators to explain our changing climate to policymakers and the public. - World Meteorological Organization Bulletin. - 2017. - № 66 (2). - P. 33-39.
CORDEX БАГДАРЛАМАСЫНЬЩ Б1Р1НШ1 ПРИОРИТЕТТ1К АРАЛЫГЫ YШIН АЙМАЦТЬЩ КЛИМАТТЬЩ МОДЕЛЬДЕРДЕ ЕСЕПТЕУГЕ ЖАЬАНДЬЩ КЛИМАТТЬЩ МОДЕЛЬДЕРДЩ МЭЛ1МЕТТЕР1Н вНДЕУД! АВТОМАТТАНДЬРУ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Поступила 04.06.2020
Канд. техн. наук Канд. физ.-мат. наук Канд. географ. наук Доктор PhD Доктор PhD
Н.Р. Юничева Д.Б. Нурсеитов
И.Б. Есеркепова К.А. Бостанбеков А.Н. Алимова
101
TYumdi свздер: климат, климаттыц езгеру^ кешетпк газдар, климаттыщ моделдер, автоматтандыру
Ацдатпа. Бул жумыста CMIP5 жобалъщ т1з1мтен ЖКМ (жаhандъщ климаттыщ модельдер) ¡ске асыру кезтде алынган мзлгметтерден щурылган мурагат усынылган, оныц артыщшылыщтарыныц б1р1 бертген багдарламаларга радиациялыщ концентрация агындарыныц (RCP) нег1зтде арнайы модельдеу эксперименттергшц сериясына ену болып табылады. Цурылган мурагат АКМ (аймащтыщ климаттыщ модельдер) CMIP5 т1з1мтдег1 б1рнеше ЖКМ-мен байланыстырылган «Климатты келгсглген аймащтыщ даунскейлинг жасау бойынша эксперимент (CORDEX)» халыщаралыщ жобасыныц аясында Жердщ климатыныц взгеру1 туралы бммд1 жащсарту уш1н щажет.
N.R. Yunicheva, D.B. Nurseitov, I.B. Yesserkepova, K.A.
Bostanbekov, A.N. Alimova
AUTOMATION OF PRE-PROCESSING DATA OF GLOBAL CLIMATE MODELS FOR THE CALCULATION OF REGIONAL CLIMATE MODELS FOR THE FIRST PRIORITY PERIOD OF THE CORDEX
PROGRAM
Keywords: climate, climate change, greenhouse gases, climate models, automation
The paper presents the created archive of data obtained during the implementation of GCM (global climate models) from the CMIP5 project list, one of the advantages of which is the inclusion in its program of a series of special modeling experiments based on given radiation concentration fluxes (RCP). The created archive is necessary for research to improve knowledge of Earth's climate change within the framework of the international project "Experiment on Coordinated Regional Downscaling of the Climate (CORDEX)", in which RCMs are coupled with several GCMs from the CMIP5 list.
102
