2. Концептуальная постановка. Построение математической модели.

Протекающие геофизические процессы очень разнообразны и сложны. Они включают в себя гидродинамические движения атмосферного воздуха и вод морей и океанов, тепло- и массообмен в системе «океан—атмосфера», поглощение, рассеяние и отражение солнечного излучения (разного в разные времена года), сезонные изменения подстилающей поверхности и многие другие явления. Их сложность связана также с неоднородностью земной поверхности и внешней нестационарностью – вращением земного шара вокруг собственной оси и вокруг Солнца.

Погодные и климатические явления отличаются сильной разномасштабностью во времени и в пространстве. Например, скорость ветра у данной точки поверхности Земли может во много раз отличаться от скоростей ветра на высотах над этой точкой. Кроме того, атмосферные и океанические потоки сильно турбулентны, т. е. характеризующие их величины испытывают хаотические флюктуации, масштаб которых достигает сотен километров. Все упомянутые процессы существенно нелинейны и их отклик на изменение каких-либо параметров труднопредсказуем.

Поэтому прогноз погоды не может быть дан с достаточной гарантией. Этому препятствуют не столько ограниченность возможностей вычислительной техники, с помощью которой рассчитываются геометеополя, или отсутствие нужного числа данных, замеряемых стационарными и подвижными станциями, сколько принципиальные причины, связанные с масштабом и сложностью объекта.

Основным средством анализа и прогноза данных объектов служит вычислительный эксперимент с их математическими моделями.

Некоторые проблемы математического моделирования этих явлений облегчаются, если речь идет о долгосрочных изменениях погоды (месяцы) и климата (годы, десятилетия). Значения средних величин на достаточно длинном промежутке времени в меньшей степени зависят от мелкомасштабных пульсаций и неустойчивостей.

Структура модели. Климатические модели системы «атмосфера—океан» состоят из ряда взаимосвязанных блоков: трехмерные нестационарные уравнения движения сжимаемой и несжимаемой жидкости с учетом вязкости и теплопроводности, уравнения переноса излучения в атмосфере и т. д. Они решаются совместно при заданном начальном состоянии системы (в том числе состоянии подстилающей поверхности) и известной динамике солнечной радиации и других внешних факторов.