Андрей Ваганов
Российская дрейфующая станция Северный полюс-32. Менее чем через 200 лет в этих местах льды будут образовываться только зимой и полностью таять летом.
Фото Reuters
«В каком-то смысле наша задача – это задача сотворения Земли». Академик Валентин Дымников, директор Института вычислительной математики РАН тщательно подбирает формулировки. Действительно, недавно закончившийся в его институте вычислительный эксперимент не имеет аналогов в России. Используя в качестве вычислительной платформы кластер на базе процессоров Intel╝ Itanium╝ 2, специалисты ИВМ РАН выполнили моделирование изменений климата в XIX–XXII столетиях с помощью уникальной модели общей циркуляции атмосферы и океана, которая была разработана в институте.
Самые интригующие результаты, полученные с помощью данной модели, – повышение среднегодовой температуры на поверхности Земли в конце XXII столетия по сравнению с концом XX века превысит 3 градуса. Повышение температуры продолжится и после 2100 года вследствие термической инерции океана, хотя, согласно сценарию, концентрации всех газов будут неизменны.
Географическое распределение изменения температуры во второй половине XXII столетия по сравнению со второй половиной XX века не менее интригующее. Максимальное потепление – на 10 градусов – произойдет в Арктике. Менее чем через 200 лет вблизи Северного полюса Земли практически исчезнут многолетние льды – они будут образовываться там только зимой и полностью таять летом. Значительно повысится температура в умеренных широтах континентов Северного полушария (на 4–6 градусов); меньше всего воздух потеплеет над океанами в Южном полушарии (на 2–3 градуса).
Вроде бы нас всех может успокаивать простое, я бы сказал – бытовое, соображение: результаты расчетов с использованием подобных моделей (а на Западе, например, таковых существует десятка два), целиком и полностью определяются начальными условиями, которые закладывают в модели исследователи. Придут другие люди, в эту же модель подставят другие начальные условия – получится вполне терпимый и менее катастрофичный результат... Увы.
«Результат не зависит от начальных условий, – подчеркнул в беседе с корреспондентом «НГ» академик Дымников. – Это прогнозы погоды определяются полностью начальными условиями; климат ими не определяется. Качественно это можно объяснить так. Допустим, у вас есть точка в начальный момент времени. Y0 – ваше начальное состояние. Вы начинаете считать задачу для этой точки. И эта траектория решений постепенно начинает «крутиться» вокруг определенного множества. Из какой бы начальной точки вы ни начали считать – траектория все равно придет к этому множеству. Когда вы начинаете обсчитывать это множество – это и есть климат».
Тут самое время привести некоторые статические данные, чтобы был понятен масштаб и сложность решаемой задачи. В слое атмосферы толщиной 10 км сосредоточено 90% всей ее массы. При диаметре Земли около 13 тыс. км – это тонкая пленка, получить точное аналитическое решение для процессов происходящих в которой невозможно. Остается математическое моделирование. Но для описания только одного состояния климатической системы – той самой точки Y0 – необходимо учитывать┘ 108 – 109 параметров (один миллиард!). Но и это еще не все. Траектория движения этой точки с 108 параметров во времени – весьма неустойчива. Именно поэтому прогнозы погоды более-менее достоверны лишь на трое суток вперед. И вот тут-то на помощь физикам и математикам приходят современные компьютерные системы.
Кластер, установленный в ИВМ РАН примерно год назад, обладает пиковой производительностью около 80 гигафлопс (миллиардов операций с плавающей запятой в секунду) и состоит из восьми 2-процессорных вычислительных узлов производства Hewlett-Packard на базе процессора Intel Itanium 2 с тактовой частотой 1,3 ГГц. Каждый узел располагает оперативной памятью емкостью 2 ГБ и дисковой подсистемой емкостью 36 ГБ.
В качестве интерконнекта используется технология Myrinet2000. Системным интегратором проекта выступила компания i-Teco.
Расчеты изменений климата, осуществленные в рамках данного проекта, проводились со «скоростью» 10 лет модельного времени за сутки реального времени. Атмосферный блок модели имел разрешение 5х4 градуса по долготе и широте и 21 уровень по вертикали, в океане разрешение составило 2,5х2 градуса и 33 уровня по вертикали. Для воспроизведения климата XIX–XX столетий и моделирования климата XXI–XXII столетий задавался временной ход концентрации парниковых газов (углекислого газа, метана, закиси азота), вулканического и антропогенного аэрозоля, солнечного излучения, наблюдавшихся до сих пор, а также прогноз изменения концентрации радиационно активных газов. При этом учитывалось, что содержание углекислого газа к 2100 году должно вырасти примерно вдвое по сравнению с 2000 годом, а в течение XXII века концентрация СО2 и остальных газов считается постоянной.
═
График изменения средней температуры, полученный по результатам моделирования. До начала XXI века он хорошо совпадает с экспериментальными данными.
═
Расчет динамики изменения температуры приповерхностного воздуха за последние 130 лет показал, что модель достаточно точно воспроизводит как абсолютную величину наблюдаемого потепления за этот период (0,6–0,7 градуса), так и некоторые особенности временного хода – например, замедление потепления в 1950–1970-х годах. Таким образом, была проведена своего рода проверка модели ИВМ РАН на точность расчетов заданных показателей.
«Можно ли с помощью вашей модели доказать (или, наоборот, опровергнуть) гипотезу, что парниковый эффект имеет антропогенное происхождение?» – поинтересовался я у Валентина Дымникова.
«Когда вы имеете дело с природой, вы ничего не можете доказать, – полушутя, полусерьезно заметил Валентин Павлович. – Вы можете только с большой уверенностью сказать, что вот оценивается парниковый эффект – количество выбросов, количество поглощенных газов. Что остается в атмосфере? Остается примерно половина углекислого газа. Модели, подобные нашей, всего лишь способны проверить: эта половина углекислого газа может дать эффект повышения среднегодовой температуры, что мы наблюдаем или нет. А за последние 20 лет мы наблюдаем рост температуры на 0,6 градуса. И я утверждаю, что этот рост в 0,6 (плюс-минус 0,2) градуса с помощью современных моделей климата можно объяснить углекислым газом антропогенного происхождения. Например, рост температуры в 30-е годы прошлого века происходил за счет увеличения активности Солнца. Проверяется это просто: если выбросить из модели этот параметр – солнечную активность, – то никакого роста температуры мы не наблюдали бы. Наблюдаемый же сейчас рост температуры «не получается» без антропогенного вклада. Очень может быть, что мы еще чего-то не учитываем, какого-то фактора. Но я утверждаю: количество антропогенных парниковых газов, которые сейчас выбрасываются в атмосферу, дают тот же самый рост температуры».
Последний рубеж обороны для «Фомы неверующего» – а как же данные по исследованию палеоклимата, полученные при бурении скважины на российской антарктической станции «Восток»? Ведь согласно изучению проб льда, взятых с разной глубины этой скважины, вначале всегда шел рост температуры, а изменение концентрации углекислого газа следовало сзади, отстает по времени от изменения температуры. Это вроде бы однозначно говорит о том, что изменение температуры – нормальное природное явление, а не артефакт техногенной цивилизации. «Действительно, такой эффект запаздывания имеет место, – соглашается академик Дымников. – Но временной интервал этих запаздываний – тысячи лет. Масштабы колебания всей климатической системы – сотни тысяч лет (около 400 тысяч). В нашем же случае, сейчас, масштабы изменения температуры приповерхностного слоя атмосферы Земли – десятилетия. Это совершенно другая задачка».
Между прочим, эта задачка расчета «в лоб» потребовала три месяца непрерывной работы суперкомпьютерного кластера. И это при том, что совместная работа сотрудников ИВМ РАН и Intel, в том числе из подразделения Software System Group (SSG) нижегородского Центра исследований и разработок Intel, позволила оптимизировать расчетную модель и значительно уменьшить время вычислений. Как показали сравнительные исследования, расчет математической модели циркуляции атмосферы и океана на однопроцессорной системе на базе процессора Intel Itanium 2 с тактовой частотой 1,3 ГГц осуществляется в 1,7 раза быстрее, чем на вычислительной RISC-системе MBC-1000М, установленной в Межведомственном суперкомпьютерном центре, в расчете на один процессор.
«Мы очень долго выбирали, какой кластер себе ставить, – рассказывает академик Дымников. – Деньги мы брали по решению ученого совета ИВМ из программ на фундаментальные исследования. Машина очень хорошая, очень быстрая. И она очень удобна для этого класса задач. И мы собираемся апгрейдить процессоры, что позволит нам увеличить скорость вычислений еще в два раза».
«А сейчас чем загружен ваш кластер?» – спрашиваю у Дымникова.
«Идет постоянный счет, проверяется устойчивость модели, – поясняет Валентин Павлович. – Мы должны прогнать модель с разными данными, получить пучок траекторий. И если этот пучок ляжет в какую-то узкую область, тогда этот расчет устойчив. На этом кластере, чтобы добиться такого результата, нам надо бы еще год считать!»
