Би-би-си эксперимент по изменению климата
Climateprediction.net (CPDN) - это проект распределенных вычислений для исследования и уменьшения неопределенностей в моделировании климата. Он стремится сделать это , запустив сотни тысяч различных моделей (большой климатический ансамбль), используя пожертвованное время простоя обычных персональных компьютеров, что приводит к лучшему пониманию того, как модели подвержены влиянию небольших изменений во многих параметрах, которые, как известно, влияют на глобальный климат.
Проект опирается на добровольческую вычислительную модель, использующую фреймворк BOINC, где добровольные участники соглашаются запустить некоторые процессы проекта на стороне клиента в своих персональных компьютерах после получения задач от серверной стороны для лечения.
CPDN, которая в основном управляется Оксфордским университетом в Англии, использует больше вычислительных мощностей и генерирует больше данных, чем любой другой проект моделирования климата. К настоящему времени он произвел более 100 миллионов модельных лет данных. по состоянию на июнь 2016насчитывается более 12 000 активных участников из 223 стран с общим кредитом BOINC более 27 миллиардов долларов , сообщая о 55 терафлопсах (55 триллионов операций в секунду) вычислительной мощности
Цели[править]
Цель проекта Climateprediction.net проект направлен на изучение неопределенностей в различных параметризациях, которые должны быть сделаны в современных климатических моделях.[7] Модель выполняется тысячи раз с незначительными возмущениями различных физических параметров ("большой ансамбль') и проект изучает, как изменяется выход модели. Эти параметры точно не известны,и их вариации находятся в пределах того, что субъективно считается правдоподобным диапазоном. Это позволит проекту улучшить понимание того, насколько чувствительны модели к малым изменениям, а также к таким вещам, как изменения в цикле углекислого газа и серы В прошлом оценки изменения климата приходилось производить с использованием одного или, в лучшем случае, очень небольшого ансамбля (десятки, а не тысячи) модельных пробегов. Используя компьютеры участников, проект сможет улучшить понимание и уверенность в прогнозах изменения климата больше, чем когда-либо было бы возможно с помощью суперкомпьютеров, доступных в настоящее время ученым.
Климатическое Предупреждение.чистый эксперимент должен помочь "усовершенствовать методы количественной оценки неопределенностей климатических прогнозов и сценариев, включая долгосрочное ансамблевое моделирование с использованием сложных моделей", которые были определены Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) в 2001 году в качестве первоочередной задачи. Мы надеемся, что этот эксперимент даст лицам, принимающим решения, лучшую научную основу для решения одной из самых больших потенциальных глобальных проблем 21-го века.
Как показано на приведенном выше графике, различные модели имеют достаточно широкое распределение результатов во времени. Для каждой кривой в дальнем правом углу есть полоска, показывающая конечный температурный диапазон для соответствующей версии модели. Как видно и следовало бы ожидать, чем дальше в будущее расширяется модель, тем шире расхождения между ними. Примерно половина вариаций зависит от будущего сценария воздействия климата а не неопределенности в модели. Требуется любое уменьшение этих отклонений, будь то от лучших сценариев или улучшений в моделях. Климатическое предупреждение.net работает над неопределенностями модели, а не над сценариями.
Суть проблемы заключается в том, что ученые могут запустить модели и увидеть, что x% моделей нагреваются на y градусов в ответ на Z-климатические воздействия, но как мы узнаем, что x% является хорошим представлением вероятности того, что это произойдет в реальном мире? Ответ заключается в том, что ученые не уверены в этом и хотят повысить уровень уверенности, который может быть достигнут. Некоторые модели будут хороши, а некоторые плохи в создании прошлого климата, когда даны прошлые климатические силы и начальные условия (ретроспективаЕсть смысл доверять моделям, которые хорошо воссоздают прошлое, больше, чем моделям, которые плохо. Поэтому модели, которые работают плохо, будут иметь пониженный вес.
Эксперименты[править]
Разные модели, которые Климатизируют.net has и will distribute подробно описаны ниже в хронологическом порядке. Таким образом, любой, кто присоединился к нам недавно, скорее всего, работает по модели с переходной связью.
- Классическая модель плиты-оригинальный эксперимент не под BOINC. Дополнительную информацию смотрите в разделе #The original model. Эта модель остается в использовании только для ou короткого курса.
- BOINC Slab Model-такая же , как и классическая модель плиты, но выпущенная под BOINC.
- Модель термохалинной циркуляции (ТГК) - исследование того, как климат может измениться в случае сниженияпрочности Т-гермо-алиновой иркуляции. Этот эксперимент теперь закрыт для новых участников, поскольку они имеют достаточные результаты. Это была четырехфазная модель, насчитывающая 60 модельных лет. Первые три фазы были идентичны описанным выше моделям плит. Четвертая фаза вызвала эффект 50-процентного замедления термохалинной циркуляции, вызвав изменения SST в Северной Атлантике, полученные в результате других пробегов.
- Модель Серного цикла-исследование влияния сульфатных аэрозолей на климат. Эксперимент будет моделировать серу в ряде сложных форм, включая диметилсульфид и сульфатные аэрозоли. Этот эксперимент начался в августе 2005 года и был предварительным требованием для Hindcast. Это 5-фазная модель, насчитывающая 75 модельных лет. Временные шаги примерно на 70% длиннее, что делает модель примерно в 2,8 раза длиннее первоначальной модели плиты перекрытия. В то время как некоторые модели все еще обманывают, модели не выпускаются с 2006 года.]
- Сопряженная модель раскрутки-включение океанических воздействий в базовую модель более динамичным и реалистичным способом, чем исходная модель плиты. Это было предварительным требованием для ретрансляции. Это было завершено и, как и планировалось, не было публично обнародовано. Самые быстрые 200-500 компьютеров были приглашены присоединиться, потому что это модель 200-летней давности, и результаты были необходимы к февралю 2006 года для запуска переходной связанной модели.
- Переходная сопряженная модель-это включает в себя 80-летний ретроспективный прогноз и 80-летний прогноз. Hindcast должен проверить, насколько хорошо модели работают при воссоздании климата с 1920 по 2000 год. он был запущен в феврале 2006 года под брендом BBC Climate Change Experiment, а позже также выпущен с сайта CPDN.
- Проект сезонной атрибуции - это модель с высоким разрешением для одного модельного года, чтобы посмотреть на экстремальные осадки. Этот эксперимент намного короче из-за его единственного модельного года, но в нем в 13,5 раза больше клеток, а временные интервалы составляют всего 10 минут вместо 30 минут. Это дополнительное разрешение означает, что он требует по крайней мере 1,5 гигабайт оперативнойпамяти . Он использует климатическую модель HadAM3-N144.]
История[править]
Майлз Аллен впервые задумался о необходимости создания больших климатических ансамблей в 1997 году, но познакомился с успехом SETI@home только в 1999 году. Первое предложение о финансировании в апреле 1999 года было отвергнуто как совершенно нереалистичное.
После презентации на Всемирной Климатической конференции в Гамбурге в сентябре 1999 года и комментария в Nature[16] в октябре 1999 года тысячи людей подписались на эту якобы неминуемо доступную программу. Лопнувший пузырь доткомов не помог, и проект понял, что большую часть программирования им придется делать самим, а не на аутсорсинге.
Он был запущен 12 сентября 2003 года, а 13 сентября 2003 года проект превысил возможности симулятора Земли, чтобы стать крупнейшим в мире центром моделирования климата.
Запуск 2003 года предлагал только "классический" клиент Windows. 26 августа 2004 года был запущен клиент BOINC, который поддерживал клиенты Windows, Linux и Mac OS X. "Классика" будет по-прежнему доступна в течение ряда лет в поддержку курса Открытого университета. BOINC прекратил распространение классических моделей в пользу моделей серного цикла. Более удобный клиент BOINC и веб-сайт под названием GridRepublic, который поддерживает climateprediction и другие проекты BOINC, был выпущен в бета-версии в 2006 году.
Эксперимент по замедлению термохалинной циркуляции был запущен в мае 2004 года в рамках классической схемы, чтобы совпасть с фильмом "послезавтра". Эта программа все еще может быть запущена, но больше не загружается. Научный анализ был изложен в диссертации Ника Фаулла. Работа над диссертацией еще не завершена. Дальнейшие исследования по этой модели не планируются.
Модель серного цикла была запущена в августе 2005 года. Они заняли больше времени, чем оригинальные модели,поскольку имели пять фаз вместо трех. С каждым шагом становилось все сложнее и сложнее.
К ноябрю 2005 года число завершенных результатов составило 45 914 классических моделей, 3 455 термохалинных моделей, 85 685 моделей BOINC и 352 модели серного цикла. Это представляло собой более 6 миллионов обработанных модельных лет.
В феврале 2006 года проект перешел к более реалистичным моделям климата. Был запущен эксперимент Би-би-си по изменению климата[17], собравший в первый же день около 23 000 участников. Моделирование переходного климата ввело реалистичные океаны. Это позволило эксперименту исследовать изменения в климатической реакции при изменении климатических воздействий, а не равновесную реакцию на значительное изменение, например удвоение содержания углекислого газа Уровень. Поэтому эксперимент теперь перешел к ретроспективному анализу 1920-2000 годов, а также прогнозу 2000-2080 годов. Эта модель занимает гораздо больше времени.
Би-би-си дала проекту огласку с участием более 120 000 компьютеров в течение первых трех недель.
В марте 2006 года модель с высоким разрешением была выпущена в качестве еще одного проекта-проекта сезонной атрибуции.
В апреле 2006 года было обнаружено, что сопряженные модели имеют проблему ввода данных. Эта работа была полезна для другой цели, чем рекламировалась. Пришлось раздавать новые модели.
Результаты на сегодняшний[править]
Первые результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature в январе 2005 года, показав, что при незначительных изменениях параметров в пределах вероятных диапазонов модели могут демонстрировать чувствительность к климату от менее чем 2 °C до более чем 11 °C. Более высокая чувствительность к климату была оспорена как неправдоподобная. Например, Гэвином Шмидтом (специалистом по моделированию климата из Института космических исследований имени Годдарда НАСА в Нью-Йорке).
Объяснение[править]
Чувствительность климата определяется как равновесная реакция глобальной средней температуры на удвоение уровней углекислого газа. Текущие уровни углекислого газа составляют около 420 ppm и растут со скоростью 1,8 ppm в год по сравнению с доиндустриальными уровнямив 280 ppm.]
Чувствительность климата выше 5 °C широко признана катастрофической. Возможность того, что такая высокая чувствительность будет правдоподобна, учитывая данные наблюдений, была сообщена еще до климатического прогноза.чистый эксперимент, но "это первый раз, когда GCMs произвели такое поведение".
Даже модели с очень высокой чувствительностью к климату оказались "столь же реалистичными, как и другие современные климатические модели". Проверка реалистичности проводилась с помощью критерия среднеквадратичной ошибки. Это не проверяет реалистичность сезонных изменений, и вполне возможно, что дополнительные диагностические меры могут наложить более сильные ограничения на то, что является реалистичным. Разрабатываются улучшенные тесты реалистичности.
Для эксперимента и цели получения функции распределения вероятностей (pdf) климатических результатов важно получить очень широкий спектр поведений, даже если только исключить некоторые из них как нереалистичные. Более крупные наборы симуляций имеют более надежные PDF-файлы. Поэтому модели с чувствительностью к климату до 11 °C включаются, несмотря на их ограниченную точность. Эксперимент с серным циклом, вероятно, расширит диапазон вниз.
Piani et al. (2005)[править]
Опубликованная в Geophysical Review Letters, эта статья завершается:
"Когда для вычисления функции плотности вероятности климатической чувствительности используется внутренне непротиворечивое представление о происхождении расхождения между моделью и данными, 5-й и 95-й процентили составляют 2,2 К и 6,8 К соответственно. Эти результаты чувствительны, особенно верхняя граница, к представлению источников несоответствия модельных данных".
Использование в образовании[править]
Существует открытый Университетский Краткий курс[9] и учебные материалы, доступные для школ, чтобы преподавать предметы, связанные с климатом и моделированием климата. Существует также учебный материал, доступный для использования в ключевой стадии 3/4 науки, физике уровня а (продвинутая физика), ключевой стадии 3/4 математики, ключевой стадии 3/4 географии, науке 21 века, науке для общественного понимания, использовании математики, начальной школе.
Оригинальная модель[править]
Первоначальный эксперимент проводится с HadSM3, которая является атмосферой HadAM3 из модели HadCM3, но только с" пластинчатым " океаном, а не полным динамическим океаном. Это быстрее (и требует меньше памяти), чем полная модель, но не имеет динамических обратных связей с океаном, которые включены в полные модели, связанные с океаном и атмосферой, используемые для прогнозирования изменения климата до 2100 года.
Каждая загруженная модель поставляется с небольшим изменением различных параметров модели.
На начальной " калибровочной фазе "в 15 модельных лет модель вычисляет" поправку потока"; дополнительные потоки океан-атмосфера, необходимые для поддержания баланса модельного океана (модельный океан не включает течения; эти потоки в некоторой степени заменяют тепло, которое было бы перенесено отсутствующими течениями).
В "контрольной фазе" в течение 15 лет температура океана может изменяться. Коррекция потока должна поддерживать модель стабильной, но обратные связи развиваются в некоторых прогонах. Существует проверка качества, основанная на среднегодовых температурах, и модели, которые не проходят эту проверку, отбрасываются.
В "двойной фазе СО2"содержание СО2 мгновенно удваивается, и модель работает еще 15 лет, что в некоторых случаях не является вполне достаточным модельным временем для установления нового (более теплого) равновесия. На этом этапе некоторые модели, которые давали физически нереальные результаты, были вновь отброшены.
Проверки качества в фазах контроля и 2 * CO2 были довольно слабыми: их достаточно, чтобы исключить явно нефизические модели, но не включать (например) тест моделирования сезонного цикла; следовательно, некоторые из пройденных моделей все еще могут быть нереалистичными. Разрабатываются дальнейшие меры контроля качества.
Температура в удвоенной фазе CO2 экспоненциально экстраполируется для определения равновесной температуры. Разница в температуре между этой и контрольной фазой затем дает меру климатической чувствительности этой конкретной версии модели.
Визуализация[править]
Большинство проектов распределенных вычислений имеют заставки чтобы визуально показать активность приложения, но они обычно не показывают его результаты, как они рассчитываются. В отличие от этого, climateprediction.net не только использует встроенную визуализацию, чтобы показать климат моделируемого мира, но и является интерактивным, что позволяет отображать различные аспекты климата (температура, количество осадков и т. д.). Кроме того, существуют другие, более продвинутые программы визуализации, которые позволяют пользователю видеть больше того, что делает модель (обычно путем анализа ранее полученных результатов), а также сравнивать различные прогоны и модели.
Визуализация рабочего стола в реальном времени для модели, запущенной в 2003 году , была разработанаДжереми Уолтоном из NAG , что позволило пользователям отслеживать ход моделирования по мере изменения облачного покрова и температуры на поверхности земного шара. Другие, более продвинутые программы визуализации, используемые в настоящее время, включают CPView и IDL AdvancedVisualization . Они обладают схожей функциональностью. CPView был написан Мартином Сайксом, участником эксперимента. Усовершенствованная визуализация IDL была написана Энди Хипсом из Университета Рединга (Великобритания), и модифицированный для работы с версией BOINC компанией Tesella Support Services plc.
Только CPView позволяет смотреть на необычную диагностику, а не на обычную температуру, давление, осадки, снег и облака. на карте может быть отображено до 5 наборов данных. Он также имеет более широкий спектр функций, таких как Max, Min, дополнительные функции памяти и другие функции.
Расширенная визуализация имеет функции для графиков локальных областей и более чем за 1 день, 2 дня и 7 дней, а также более обычные графики сезонных и годовых средних значений (что делают оба пакета). Существуют также широтно - высотные и временные графики.
Размер загрузки намного меньше для CPView, а CPView работает с Windows 98.
По состоянию на декабрь 2008 года не существует инструмента визуализации, который работает с новыми моделями CPDN. Ни CPView, ни Advanced Visualization не были обновлены для отображения данных, собранных из этих моделей. Таким образом, пользователи могут визуализировать данные только через заставку.
Эксперимент Би-би-си по изменению климата[править]
Эксперимент Би-би-си по изменению климата был проектом BOINC , возглавляемым Оксфордским университетом с несколькими партнерами , включая британский Метрополитен-офис, Би-би-си, Открытый университет и Университет Рединга. Это переходная связанная модель Climateprediction.net проект.
Многие участники присоединились к проекту, и более 120 000 человек записались в команды.[27]
Сбор результатов продолжался в течение некоторого времени, и в январе 2007 года в эфир вышла последующая телевизионная программа. 8 Марта 2009 Года, Climateprediction.net официально объявила, что эксперимент Би-би-си по изменению климата завершен, прежде чем закрыть проект.]
См. также[править]
- Список проектов распределенных вычислений
- Климатическая модель
- Глобальная климатическая модель
- Распределенные вычисления
- BOINC
- Климатический ансамбль
- Анализ чувствительности и анализ неопределенности
Пруф[править]
/web.archive.org/web/20071104020929/http://www.allprojectstats.com/po.php?projekt=21