Н Моисеев - Люди и кибернетика

МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛИМАТА ПЛАНЕТЫ

Общие точки зрения являются всего лишь исходной позицией. Конечно, если позиция выбрана неверно, то добиться успеха почти невозможно. Но от ее выбора до выигрыша сражения очень не близко. Сказав, что нам необходима общая модель климата, мы только ставим проблему. А дальше начинается неизвестное. Что должна представлять собой климатическая модель планеты, какие требования должны быть к ней предъявлены и что, в конце концов, мы должны понимать под словом "климат"?

Ответить на подобные вопросы отнюдь не просто.

И наши ответы будут в значительной степени субъективны, ибо они отражают определенную позицию, к изложению фрагментов которой мы и переходим.

Мы будем опираться на то определение климата, которое было предложено советскими учеными А. Мониным и Ю. Шишковым. Они считают, что климат - это "статистический ансамбль состояний, которые проходит система "океан - суша - атмосфера" за период времени в несколько десятилетий".

В этом определении отражена роль трех компонентов, вносящих основной вклад в состояние окружающей среды: инерционного океана, легкой неустойчивой атмосферы и наиболее подверженной человеческому влиянию суши.

Модель климата должна опираться на две базовые модели - модель гидродинамики атмосферы и модель гидродинамики океана. Их выбор - очень важный этап исследования, имеющий своей целью решение задач управления. Не создание новых, а именно выбор, потому что специалисты по метеорологии и океанологии уже разработали многочисленные модели подобного рода.

И задача тех, кто разрабатывает управленческий инструментарий, состоит прежде всего в выборе уже существующих и очень разных моделей, их стыковке между собой и их адаптации для целей управления, то есть превращения их в инструмент кибернетического анализа.

Этот выбор отнюдь не прост, ибо модели должны удовлетворять многочисленным требованиям, зависящим от целей исследования и возможностей анализа. Во-первых, они должны быть достаточно просты, чтобы оказаться доступными для вычислительных средств; но, с другой стороны, эти модели должны быть и достаточно детализированы, чтобы с их помощью кибернет мог делать заключения о влиянии климата на хозяйственную деятельность людей и выбирать такой образ поведения, который в наибольшей степени отвечал бы интересам всех людей планеты.

Например, чтобы решить вопрос о переброске стока рек, исследователь должен иметь возможность с помощью модели оценивать сезонные значения средней температуры, интенсивность фотоактивной радиации, количество осадков и многое другое. И что интересно, информация, характеризующая отклонение этих величин от их средних значений (то есть соответствующие величины аномалий и дисперсий), также является существенной при разработке стратегий активного поведения общества.

Требования к модели климата должны включать в себя и "уровень разрешения". Модель климата для кибернета что микроскоп для естествоиспытателя. Человеческий глаз может отличать одну деталь от другой лишь в том случае, если их размеры не менее одной десятой миллиметра. Такова его "разрешающая способность". Уже первый микроскоп позволил увидеть микробы. Разрешающая способность современного оптического микроскопа в тысячи раз больше, а электронный микроскоп позволяет различать частицы, отличающиеся друг от друга на миллионные доли миллиметра. И в зависимости от объекта исследования экспериментатор выбирает микроскоп, обладающий той или иной необходимой силой разрешения.

Так и при изучении природных явлений мы должны согласовать разрешающую способность модели климата с нашими потребностями и задачами. Чересчур "сильная" модель потребует больше времени для своего анализа. Модель же малой разрешимости может не заметить и упустить важные детали. Для исследования региональных особенностей климата и обоснованных оценок продуктивности естественных и искусственных ценозов модель климата должна различать на поверхности земли квадраты размерами порядка 4-5 градусов по широте и долготе. Только в этом случае можно достаточно хорошо выделить основные промышленные и сельскохозяйственные регионы, например отличить климат Поволжья от климата Центральной России. Кроме того, модель должна допускать реальную возможность анализа эволюции климата в течение нескольких десятилетий.

Проведя с этих позиций сравнение имеющихся в нашем распоряжении многочисленных моделей глобальной циркуляции атмосферы, мы в ВЦ АН СССР остановили свой выбор на одной американской модели (так называемой модели Гейтса - Минца - Аракавы). Эта гидротермодинамическая модель атмосферы была создана в интересах прогноза погоды, но для подобных целей она оказалась чересчур грубой, поскольку это, по существу, двухслойная модель тропосферы и она не учитывает целый ряд деталей, важных для предсказания погоды на ближайшее время. Для наших же целей ее точность была более чем достаточна. Нас устраивало, что она учитывает не только реальное распределение материков и океанов, но и распределение горных систем, характер ледяного и снежного покрова и т. д.

Эта модель обладала еще одним достоинством - она давала весьма полную картину источников и стоков энергии, которые формируются в атмосфере за счет солнечной радиации и фазовых переходов воды, содержащейся в атмосфере и в подстилающей поверхности, в пар, в лед, в снег или в воду. Это очень важное достоинство модели. В самом деле, перенос влаги, сопровождаемый испарением и конденсацией воды, возникновением и исчезновением облаков, играет колоссальную роль в механике и энергетике атмосферы. Достаточно сказать, что на испарение затрачивается около трети всего поглощаемого планетой солнечного тепла.

Как, наверное, уже обратил внимание читатель, мы все время употребляем термин "модель климата", В действительности же это некоторая "система моделей", описывающих все те процессы, которые в своем взаимодействии и определяют климат. Подобно тому как современное здание состоит из отдельных, но связанных между собой блоков, система моделей климата - это тоже конструкция, обладающая собственной архитектурой. Кроме блока моделей, отражающих процессы, протекающие в атмосфере, в Системе моделей климата должен присутствовать и блок моделей, описывающих состояние океана, который в наибольшей степени определяет структуру климата, изменение его характеристик.

Выбор модели океана, то есть способ описания его динамики, тоже очень не прост. С одной стороны, эта модель не должна быть очень сложной и допускать возможность проведения многократных пересчетов, а с другой - она должна учитывать основные особенности обмена энергией, а -акже потоки влаги и углекислоты в зависимости от широты и долготы.