Суперкомпьютерное моделирование климата

Задача прогноза погоды и оценки будущих изменений климата является одной из наиболее ресурсоёмких вычислительных проблем современной науки. В основе её решения лежит численная реализация уравнений термогидродинамики атмосферы и океана, переноса тепла, массы и веществ в криосфере, деятельном слое суши и наземных экосистемах. Вычислительные блоки, отвечающие за различные группы процессов в климатической системе, разрабатываются отдельными научными группами в различных странах. В НИВЦ МГУ развивается математическое моделирование следующих компонент климатической системы Земли: турбулентные пограничные слои в атмосфере и гидросфере, экосистемы и верхний деятельный слой суши.

Физические и биогеохимические процессы в этих природных системах в рамках глобальных климатических моделей не могут быть воспроизведены явно из-за ограниченности производительности суперкомпьютеров и поэтому представлены упрощённым математическим описанием – параметризациями. В свою очередь, развитие параметризаций предполагает расчёты с моделями высокого пространственного разрешения, в которых подлежащие параметризации процессы разрешаются явно. Этот подход базируется на использовании вихреразрешающего моделирования (LES - Large Eddy Simulation) и прямого численного моделирования (DNS - Direct Numerical Simulation). Для проверки параметризаций используются данные как специально поставленных натурных экспериментов, так и многолетнего мониторинга природных систем. Это особенно важно для валидации моделей деятельного слоя суши, в которых многочисленные физические и биогеохимические процессы в почве, растительности и водных объектах описаны полуэмпирическими подходами.

НИВЦ МГУ работает в тесном сотрудничестве с Институтом вычислительной математики (ИВМ) им. Г.И. Марчука РАН и Гидрометцентром России (развитие блока деятельного слоя суши ИВМ РАН – МГУ для моделей Земной системы ИВМ РАН и модели прогноза погоды ПЛАВ, LES- и DNS-моделей турбулентных пограничных слоёв), Институтом физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН (исследования фундаментальных свойств геофизической турбулентности, постановка натурных экспериментов) и многими другими организациями в России и за рубежом. Традиционным партнёром в решении этих задач является также Географический факультет МГУ.