03 мая 2020

Формулы стихии. Раскрыть секреты океанской кухни помогает математическое моделирование

IA.Poisk.News / Юрий ДРИЗЕ / 03.05.2020

На компьютерном мониторе – земной шар. Неподвижные темные континенты и пульсирующий, переливающийся живой Мировой океан, занимающий 2/3 поверхности планеты, больше всех континентов вместе взятых. Желтые, красные точки обозначают уровень водной поверхности по отношению к берегам, а клубок мерцающих красных точек в районе Флоридского пролива – это Гольфстрим. Ученые знают едва ли не все, что творится на «океанской кухне». Им по силам создать портрет Мирового океана в разрезе благодаря возможностям математического моделирования. Рассказывает заведующий лабораторией Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН, член-корреспондент РАН Сергей ГУЛЕВ.

Глобальная циркуляция Мирового океана – механизм наисложнейший. А математические модели помогают понять, как он устроен и как работает. На первый взгляд, водная стихия мало чем отличается от воздушной, как мы говорим, это такая же сплошная жидкая среда. Чтобы смоделировать ее поведение с помощью уравнений, нужно описать постоянное и разно-образное движение течений и вихрей, а также сил, заставляющих перемещаться морскую воду. Получится картина состояния океана от поверхности до дна, подчас глубиной в километры. Но в отличие от атмосферы моделирование океана – задача более сложная.

Мало того что океаны разделены континентами, по сравнению с атмосферой мы знаем о них гораздо меньше. В первую очередь это касается их глубин. Сегодня спутниковые наблюдения дают огромный объем информации. Однако динамику океана на глубинах увидеть из космоса невозможно – есть лишь информация о его поверхности. Смоделировать подводную стихию позволяют гидродинамические уравнения. Это известные из школьного курса физики фундаментальные законы движения: второй закон Ньютона и некоторые другие. Они трансформируются в достаточно сложные уравнения, для их решения требуются сверхмощные компьютеры и большие программы (компьютерные коды).

Составить их – дело очень трудоемкое?

Модели – далеко не самые простые компьютерные программы, предусматривающие уйму операций. На бумаге издание было бы не толще энциклопедического словаря. Строит современную гидродинамическую модель группа из нескольких специалистов (иногда пяти, иногда двадцати), где каждый отвечает за свой раздел. И на это ей потребуется несколько лет напряженного труда. Одна из признанных в мире и наиболее удачных моделей – NEMO, созданная в конце 2000-х, – постоянно эволюционирует. Сегодня это семейство моделей, решающее различные задачи: от оперативного прогноза океана до исследования его климатических изменений. Авторы действующей системы – большая группа специалистов со всего мира, включая сотрудников нашей лаборатории. В последние годы консорциум возглавляют французские ученые во главе с профессором Бернаром Барнье из Института природной среды (примерно так можно перевести его название) в Гренобле, моим старым товарищем. Модель циркуляции океана – живой организм, он развивается и совершенствуется. После серьезных модификаций новая версия становится самостоятельным продуктом и часто носит имя авторов-исполнителей. Так, региональная версия NEMO, особым образом описывающая взаимодействие Арктики и Атлантики, будет носить имя сотрудницы нашей лаборатории Полины Вереземской.

Самый, наверное, важный вопрос, как работают модели?

Есть несколько задач для океанского моделирования. Едва ли не самая серьезная – понять механизмы циркуляции океана, как она меняется и почему и, главное, как стихия влияет на климат. Для этого нужно создать такую же сложную модель атмосферы, работающую совместно с океанской. Это позволит моделировать климат, дать его прогноз, разобраться в его «характере». В современных климатических моделях океанский блок представлен достаточно упрощенными моделями, в которых, как правило, нет вихрей или они описываются параметрически.

По-другому пока нельзя – слишком дорого стоит. Чтобы рассчитать годовые характеристики, получить объемный трехмерный «портрет» океана с учетом скорости течений, изменений температуры, других данных с высоким разрешением в 1/12 градуса, даже на самых современных суперкомпьютерах потребуется около недели, а если на 100 лет, то почти два года. Но тогда мы узнаем, например, как реагирует Гольфстрим на охлаждение в результате таяния арктического льда, какие массы атлантической воды попадают в Арктику или как процессы переноса воды на экваторе влияют на характер и поведение среднеширотных течений.

Вопросов уйма, а дают ответы модели.
Как уже говорилось, главный сдерживающий фактор их построения не столько отсутствие данных или ошибки в понимании физических процессов. Все упирается в состояние вычислительных мощностей. В 70-80-х годах прошлого века, когда начали разрабатывать первые модели, компьютеры позволяли проводить расчеты с разрешением в 100-200 км. И картина получалась неправдоподобная. Океан – среда турбулентная. Ведь Гольфстрим, хоть и называется «рекой в океане», состоит из множества вихрей, взаимодействующих между собой. Да, спутники видят вихри, но необходимо узнать, какова их структура на глубине.

Поэтому для построения моделей необходимы суперкомпьютеры. Стоят они дорого, но еще дороже обходится их постоянное поддержание в рабочем состоянии. Учитывая важность создания математических моделей с высоким разрешением, Минобрнауки выделило нам трехлетний грант. В 2019-м он закончился, но нам продлили его еще на год. Безусловно, 30 миллионов ежегодно – сумма большая. Но и потребности немалые. Мы не только оплатили работу примерно 20 человек (включая совместителей), главное – приобрели оборудование: переоснастили наш кластер, персональные компьютеры и программное обеспечение.

Благодаря мегагранту и помощи института, подчеркну этот факт, теперь у нас есть пусть и небольшой, но суперкомпьютер. И все же многие расчеты приходится выполнять в зарубежных вычислительных центрах.
По условиям мегагранта организовали лабораторию, скажем так, с международным участием. Ее руководители – Бернар Барнье и я, сотрудники – в основном молодежь. Как и любая область науки, моделирование ее очень интересует.

Тем более что направление перспективное и успешно развивается.

Это расхожее мнение. Считаю, что каждая наука, ставящая перед собой разумные задачи, привлекательна для молодежи. Если молодой ученый действительно увлечен наукой, то сам выдвинет выбранную область на передний край, что недавно и подтвердилось.
Я каждый год читаю лекции в Гренобле в рамках магистерской программы по механике сплошной среды.  Она собирает студентов из разных стран, включая Россию. По окончании мастер-программы они должны подготовить дипломную работу.

Несколько лет назад на курсе была студентка из России Настя Домина, выпускница мехмата Новосибирского госуниверситета. Когда мы обсуждали с ней ее диплом, она сказала, что хочет проанализировать возможности получения энергии из океанских течений (чем-то это напоминает приливные электростанции). Меня, честно говоря, ее идея не взволновала: мы ведем фундаментальные исследования, а она предлагала сугубо прикладной проект. Так я ей и сказал, предложив несколько тем на выбор.

Настя – человек увлеченный и упорный – наотрез отказалась: она будет заниматься только этим. Я познакомил ее с Барнье, другими французскими специалистами, и вместе мы стали обдумывать возможность моделирования эффекта установки турбин в областях сильных океанских течений. Нужно было понять, что из этого может выйти. Изменят ли турбины характер океанских течений, ведь через какое-то время они начнут стороной обходить расставленные Настей турбины? Хватит ли полученной энергии, чтобы снабдить ею, скажем, небольшой прибрежный город?

В итоге мы вместе написали статью для журнала Nature Energy (его импакт-фактор даже выше, чем у «главы семейства» самого Nature). Публикация только что вышла, уверен, она вызовет отклики. А все потому, что у девушки есть идея и она способна за нее побороться. (Сейчас она работает по контракту в частной английской фирме.)

Удалось ли вам за эти годы предсказать изменения климата?

А это не совсем наша задача. Океанские модели работают вместе с расчетами других компонентов климатической системы, в первую очередь атмосферы, поскольку в каждодневных и краткосрочных прогнозах роль океана незначительна. Но это не значит, что он не должен присутствовать вовсе, просто его состояние необязательно меняется в течение нескольких суток (время прогноза погоды). Водная стихия консервативна по сравнению с атмосферой: теплоемкость океана в четыре раза ее больше, а плотность – аж в 800.

Но когда надо заглянуть вперед на годы и десятилетия, роль океана возрастает многократно. Так что пока мы строим динамические модели с максимально возможной детализацией. В частности, смоделировали процессы конвекции в субполярной Атлантике и обмен водами между Северной Атлантикой и Арктикой.

Это важно. Отдельно занимаемся высокоразрешающим атмосферным моделированием. Вместе с расчетами атмосферных процессов наши модели дают метеорологам и океанологам возможность заглянуть на океанскую кухню. Понять, как происходящие там процессы влияют на климат в Арктике и состояние льда, – в перспективе это позволит давать более точные, научно обоснованные прогнозы погоды едва ли не для всего земного шара. Отдельно занимаемся высокоразрешающим атмосферным моделированием.

Недавно завершили длительный численный эксперимент по исследованию динамики атмосферы над Северной Атлантикой. Отмечу, что такой огромный массив данных очень высокого разрешения получен впервые в мире. Он нужен для понимания процессов, происходящих в атмосфере и океане, и объясняет их связь. Наверняка поможет намного точнее прогнозировать погоду. Наша статья об этом принята к печати журналом Journal of Applied Meteоrology and Climatology.

Понимание происходящих на океанской кухне перемен важно, конечно, не само по себе – оно помогает совершенствованию прогнозов. Сегодня их достоверность на 5-7 суток выросла настолько, что соответствует точности суточных прогнозов погоды 1979 года. Прогресс налицо, но достигнут он не столько благодаря совершенству методов сбора данных, сколько возможностям их обработки, то есть эффективности компьютеров. И хотя в нашей области фактически нет фундаментальных физических открытий, теперь о прогнозировании погоды мы знаем намного больше.

Вы находитесь здесь:Главная/СМИ о нас/Формулы стихии. Раскрыть секреты океанской кухни помогает математическое моделирование

 

TPL_A4JOOMLA-WINTERLAKE-FREE_FOOTER_LINK_TEXT