Развитие теории критических точек климата и ее применение в эмуляторах планетарных процессов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-71-10052

НазваниеРазвитие теории критических точек климата и ее применение в эмуляторах планетарных процессов

Руководитель Савенкова Елена Николаевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Общество с ограниченной ответственностью "Центр научных исследований и разработок" , Новгородская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-219 - Математическое моделирование в науках о Земле и проблемах окружающей среды

Ключевые слова климат, бифуркации, критические точки, эмулятор, экосистемы, динамические системы, дистанционное зондирование, машинное обучение, стохастическая динамика, парниковые газы, эмиссия, тундра, Арктика

Код ГРНТИ27.35.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Критические явления (такие как критические точки/переломные моменты (“tipping points” см. Lenton et al. 2008; PNAS, 105, 1786–1793)) и сложность поведения климатической системы привлекают внимание специалистов в связи с проблемами потепления климата, например в результате эмиссии парниковых газов. Проблема «метановой бомбы» – резкого и быстрого выпуска большого количества метана из вечной мерзлоты довольно широко обсуждается как в СМИ (The Guardian, 2015; New Scientist, 2015; BBC News, 2017) так и в научном сообществе (Kerr,2010; Science, 329, 620-621; DeMarco,2015; Science,628. 343-344). Предполагается, что такие катастрофы имели место в прошлом. Современные климатические модели, как отечественные (INM-CM, Институт вычислительный математики РАН), так и зарубежные (например, ECHAM, Max Planck Institute for Meteorology, Germany) достаточно хорошо моделируют циркуляцию атмосферы и океана, но являются достаточно несовершенными для моделирования критических явлений связанных с переломными моментами климатической системы по ряду причин (недостаточность данных наблюдений для параметризации, нелинейный характер описываемых явлений, необходимость ассимиляции большого массива данных). Все это, однако, до сих пор не имело серьезного фундаментального математического обоснования. Очевидно, что главной целью любых прогнозов является обнаружение критических точек в динамике системы, возникающих в результате различных переходов (например, фазовых переходов). Для понимания природы таких точек и их точного определения в математическом моделировании достаточно давно используют надежные аналитические методы, пришедшие из нелинейной динамики и статистической механики. Например, теория динамических систем дает инструмент исследования динамики таких систем через малые возмущения в системе которые могут вызвать ее существенную перестройку. Статистическя механика предлагет модели критического коллективного поведения, не только частиц, но и целых конкурирующих экосистем. Один из ярких примеров рассматриваемых систем – климатическая система Арктики, стремительно меняющиеся в условиях ярко вырыженного потепления климата в этом регионе. Крупномасштабные климатические модели хорошо представляют сложные планетарные процессы в океане и атмосфере, но содержат две дилеммы. Во-первых, для их запуска может потребоваться много суперкомпьютерного времени; это ограничивает количество прогонов анализа, которое может выполнить система с точки зрения как графика, так и стоимости. Во-вторых, некоторые отдельные элементы планетарного процесса менее понятны, чем другие, из-за соразмерного отсутствия точности модели. Без полного вычислительного представления всего процесса невозможно описать более крупномасштабное природное явление. Система эмулятора должна обеспечивать возможность набора параметров точности, которая изменяет требования к вычислениям и отображает функцию распределения вероятностей, как поверхность, для соответствия модели с этой точностью. Эти инструменты успешно применялись при создании цифровых двойников как в естественных науках, так и в инженерии. Использование нейронных сетей — один из нескольких подходов, которые могут быть задействованы для эмуляции планетарных процессов. Однако для создания эмуляторов с помощью вычислений нам необходимо полностью понимать критичность и стохастичность планетарного процесса (любого, атмосферной циркуляции, деградации вечной мерзлоты) в климатических системах, а также иметь концептуальную теоретическую модель критической физики процесса, лежащего в основе эмулятора. Главной целью настоящего проекта является развитие теоретических методов математического моделирования основанных на теории динамических систем и статистической механики для изучения и анализа потенциальных критических явлений в некоторых ключевых подсистемах климатической системы (например, в Арктике) ведущих к возникновению критических точек в них, а также имплиментация этих теоретических изысканий для построения компьютерных эмуляторов критических явлений в планетарных процессах на основе методов машинного обучения и вычислительного моделирования. Задачи исследования: 1. Используя доступные результаты данных наблюдений (в основном спутниковых) за компонентами климатических подсистем идентифицировать критические изменения в них (изменения в полях физических параметров, паттернах ландшафтов и экосистем). Провести обработку большого объема данных методами искуственного интеллекта. 2. Адаптировать и развить математические методы нелинейной динамики и статистической механики, которые позволят анализировать критические изменения и переломные моменты в климатической системе и идентифицировать их критические точки. Рассмотреть ряд частных критических явлений в климатической системе и обобщить полученные результаты и попытаться определить в общем, что такое «критичность» в климатической системе. 3. На основе теоретических изысканий и применения искусственного интеллекта разработать эмуляторы некоторых критических процессов в климатической системе и изучить возможность их имплементации в существующие глобальные модели климата.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ