Глобальные климатические модели - это большие и сложные системы программного обеспечения, состоящие из сотен тысяч строк кода и истории разработки, охватывающей годы или даже десятилетия. Понимание того, что делает каждая модель и чем она отличается от других моделей, является сложной задачей.
- Существующие подходы к сравнению моделей ориентированы на измерение способности модели воспроизводить наблюдаемый климат прошлого, а также на неформальное обсуждение различий в том, как физические процессы разрешаются или параметризуются в рамках каждой модели.
Характеризуя архитектуру программного обеспечения каждой модели, анализируя, как физические области системы Земли модулизированы в моделях, как взаимодействуют эти модули, и каковы относительные размеры этих модулей. Анализ показывает различия между двумя моделями, как с точки зрения архитектурных решений относительно связи между компонентами земной системы, так и с точки зрения того, где находится основная часть кода.
Утверждается, что эти различия в размерах модуля дают разумное представление о научной сложности каждого компонента, под которым мы понимаем количество, разнообразие и сложность набора геофизических процессов, включенных в моделирование, применительно к данной части земной системы. Это, в свою очередь, является предварительным доказательством того, что, когда моделирующие группы специализируются на различных частях земной системы, эти специализации отражаются в архитектуре их моделей.
Сравнение моделей в настоящее время является стандартной практикой в моделировании систем Земли, поскольку позволяет получить представление о сильных и слабых сторонах каждой модели и генерирует стандартные модели для более формальных измерений навыков моделирования.
На веб-сайте Всемирной программы исследования климата перечислены 45 действующих типовых проектов сравнения. Как правило, эти проекты взаимного сравнения осуществляются путем определения согласованного набора модельных экспериментов, представляющих различные модели условий, которые, как можно ожидать, будут имитироваться, часто с использованием данных наблюдений, предоставляемых в качестве исходной линии для сравнения. Некоторые из этих проектов по взаимному сопоставлению были также предназначены для предоставления скоординированного набора моделей систем Земли в качестве вклада в доклады МГЭИК об оценке.
- Сравнения между моделями обычно выражаются в показателях навыков моделирования по отношению к данным наблюдений, при этом баллы навыков рассчитываются путем измерения среднеквадратичной ошибки для выбранных областей. Эти результаты свидетельствуют о том, что погрешность модели неуклонно снижается на протяжении последующих поколений глобальных климатических моделей.
Альтернативный подход заключается в прямом сравнении климатологии моделей друг с другом путем анализа пространственных и временных моделей, смоделированных для конкретной изменчивости. Такие результаты показывают, что модели из одной и той же лаборатории, как правило, имеют схожую климатологию, даже для разных поколений моделей, как и модели из разных лабораторий, использующих одну и ту же атмосферу или океанические компоненты.
Такие схемы архитектуры программного обеспечения показывают, в широком смысле, как работают климатические модели: как климатическая система разделена на компоненты и как эти компоненты взаимодействуют друг с другом.
Они также иллюстрируют сходства и различия между восемью проанализированными разными моделями.
- Некоторые модели, особенно в Северной Америке, демонстрируют высокий уровень герметичности для каждого компонента, при этом все коммуникации управляются соединителем.
- Другие модели, особенно в Europe, реализуют двоичную архитектуру атмосфера-океан, которая упрощает процесс соединения. Учреждения концентрируют свои усилия на различных климатических процессах, что в конечном итоге приводит к доминированию различных компонентов и подкомпонентов в исходном коде каждой модели.
Однако не все модели полностью независимы друг от друга: моделирующие группы обычно обмениваются фрагментами кода, от отдельных программ до целых компонентов. Наконец, климатические модели сильно отличаются друг от друга по степени сложности, при этом общее количество линий между крупнейшими МОЦ и наименьшими значениями ЭМИК, которые были проанализированы, варьируется в 20 раз. Даже при ограничении этого сравнения шестью МОЦ, все еще существует фактор 7 вариаций в общем количестве строк.
Такой анализ также позволяет по-новому взглянуть на вопрос модельного разнообразия, что очень важно при создании мульти-модельных ансамблей. Можно считать, что это, по крайней мере, частично, с точки зрения их архитектурной структуры и распределения сложности в рамках модели.
- Другим объяснением сходства последовательных моделей в одном учреждении может быть то, что различные центры заботятся о различных аспектах климата и используют различные наборы данных и метрики для оценки качества модели в процессе разработки.
Этот анализ предлагает предварительное уклонение от ответа, подтверждающее обе эти гипотезы. Далее предполагается, что относительный размер каждого компонента в модели системы Земли указывает на относительный размер пула знаний, имеющихся у этой лаборатории в каждой области системы Земли. Наличие различных областей специализации в каждой лаборатории может дать достаточное объяснение эффекту кластеризации. Кроме того, оба анализа дополняют друг друга: в то время как один анализ рассматривает код модели без согласования результатов, другой анализирует результаты моделирования, не рассматривая код.
- Такие диаграммы могут оказаться полезными для коммуникации и информирования общественности принимающими их учреждениями. Внутреннее функционирование климатических моделей редко обсуждается в средствах массовой информации, даже научными репортерами; как таковые, эти части программного обеспечения по существу таинственны для большинства представителей общественности. Кроме того, диаграммы могут использоваться для связи между учеными как внутри учреждений, так и между ними.
Для специалистов по климатологии, независимо от того, являются ли они пользователями или разработчиками связанных моделей, может оказаться чрезвычайно полезным понять, как другие группы, занимающиеся моделированием, решают те же научные проблемы. Лучшее понимание моделей земной системы, используемых другими учреждениями, может открыть двери для международного сотрудничества в предстоящие годы.