Общая информация   Сотрудники  Семинар  Проекты  Публикации  Ссылки  Партнеры  Модели

Одной из наиболее важных проблем, стоящих перед наукой в XXI столетии, является проблема предсказания климатических изменений, вызываемых человеческой деятельностью. В качестве антропогенных воздействий на климатическую систему можно рассматривать сжигание ископаемого топлива, приводящее к изменению концентрации углекислого газа в атмосфере; изменение концентрации малых газовых примесей, контролирующих концентрацию озона в атмосфере; вырубку лесов, приводящую к изменению альбедо и процессу опустынивания; освоение нефтяных и газовых месторождений в районах вечной мерзлоты, сопровождаемое нарушением растительного покрова, и многие другие воздействия. Эти проблемы, имеющие особое значение для дальнейшего развития экономики России, тесно связаны с необходимостью создания национальной системы экспертной оценки неблагоприятных последствий глобальных изменений климата.

Для решения задач по формированию научно-технического и кадрового потенциала, способного обеспечить стране устойчивое развитие, необходима разработка интерактивных и дистанционных методов получения и усвоения в ходе образовательного процесса большого количества научной информации в области динамики природно-климатических процессов.

Климатические модели дают возможность на основе численных экспериментов попытаться воспроизвести современный климат и исследовать чувствительность "модельного" климата по отношению к малым изменениям параметров, характеризующих внешние воздействия, изучить основные климатообразующие процессы, оценить опасные региональные последствия глобальных изменений и многое другое. Глобальные климатические модели, включающие в себя описание большого числа разнообразных физических процессов и их взаимодействий, переживают в настоящее время период бурного развития, определяемого в конечном итоге интенсивным развитием вычислительной техники. Климатические модели составляют также основу технологий четырёхмерного усвоения многообразной информации о состоянии компонент климатической системы, в первую очередь, атмосферы и океана.

В настоящее время всё более острыми становятся региональные проблемы, связанные как с глобальными изменениями климата, так и с техногенным загрязнением окружающей среды. Для решения возникающих при этом задач необходима разработка проблемно-ориентированных вычислительно-информационных технологий для математического моделирования естественных и антропогенных изменений регионального климата и оценки их влияния на природную среду. Такого рода технологии, использованные, например, в получившей широкое распространение негидростатической мезомасштабной модели ММ5, включают инструментарий для численного моделирования на высокопроизводительных вычислительных системах параллельной архитектуры, а также средства визуализации и анализа данных наблюдений и результатов расчетов.

В ведущих центрах прогноза погоды, а также научно-исследовательских организациях предложено большое количество мезомасштабных моделей, различающихся степенью детализации описания физических процессов в атмосфере. В лаборатории суперкомпьютерного моделирования природно-климатических процессов развивается трехмерная негидростатическая модель NH3d, созданная П. М. Мирандой в Университете г. Рединга (Великобритания). Эта модель позволяет воспроизводить широкий спектр мезомасштабных течений, возбужденных как термической, так и орографической неоднородностью подстилающей поверхности.

Одним из наиболее перспективных направлений совершенствования климатических и мезомасштабных моделей является детализация описания физических, химических и биологических процессов, происходящих на суше. Важным элементом суши является гидрологическая система, включающая систему водоемов и водотоков различных пространственных масштабов. Адекватный учет физической специфики этих объектов в рамках атмосферных моделей является одной из задач, которая далека в настоящее время от удовлетворительного решения. В лаборатории разрабатывается одномерная модель водоема, которая прошла верификацию на данных натурных наблюдений, и включена в мезомасштабную модель. Модель сочетает подробный учет основных термодинамических процессов в водоеме и вычислительную эффективность, что делает ее перспективной для использования в атмосферных моделях и моделях окружающей среды.

Важным направлением современной вычислительной гидродинамики является построение вихреразрешающих моделей геофизических пограничных слоев. Такие модели применяются для: статистического анализа структурной турбулентности с целью построения параметризаций для моделей атмосферы и океана; моделирования переноса примесей в пограничном слое атмосферы и верхнем слое океана; моделирования обтекания атмосферными потоками различных препятствий (например, городской застройки) и т.д. Необходимым условием применимости данного подхода является высокое пространственное разрешение моделей как минимум 107 узлов конечно-разностной сетки. Использование параллельных вычислений позволяет эффективно решать подобные задачи.