気候予測.net

気候予測。ネット

気候予測.net スクリーンセーバー
開発者	オックスフォード大学
初回リリース	2003年9月12日 ( 2003-09-12 )
開発状況	アクティブ
オペレーティング·システム	クロスプラットフォーム
プラットフォーム	ボインク
ライセンス	独占的[1]
平均的なパフォーマンス	78.8 TFLOPS [2]
アクティブユーザー	7,516
総ユーザー数	305,577 [2]
アクティブホスト	10,275 [2]
ホスト総数	652,792 [2]
Webサイト	詳しくはこちら

climate prediction .net ( CPDN )は、気候モデリングにおける不確実性を調査し、削減するためのボランティアコンピューティングプロジェクトです。このプロジェクトは、寄付された一般的なパーソナルコンピュータのアイドル時間を使用して、数十万の異なるモデル (大規模な気候アンサンブル) を実行することで、地球の気候に影響を与えることが知られている多くのパラメータの小さな変化がモデルにどのような影響を与えるかをより深く理解することを目指しています。^[3]

このプロジェクトは、BOINCフレームワークに依存しており、自発的な参加者が、処理のためにサーバー側からタスクを受け取った後、自分のパソコンのクライアント側でプロジェクトの一部のプロセスを実行することに同意します。

CPDNは、イギリスのオックスフォード大学が中心となって運営されており、他のどの気候モデリングプロジェクトよりも多くの計算能力を活用し、多くのデータを生成してきました。^[4]これまでに1億モデル年を超えるデータが生成されています。^[5] 2016年6月現在、223か国から12,000人以上のアクティブな参加者がおり、BOINCクレジットの合計は270億を超え、約55テラフロップス（1秒あたり55兆回の演算）の処理能力が報告されています。^{[6][アップデート]}

climate prediction .net プロジェクトの目的は、最先端の気候モデルで行わなければならないさまざまなパラメータ化の不確実性を調査することです。^[7]モデルは、さまざまな物理パラメータにわずかな変動を与えて何千回も実行され (「大規模アンサンブル」)、モデル出力がどのように変化するかをプロジェクトで調べます。これらのパラメータは正確にはわかっておらず、変動は主観的に妥当な範囲内です。これにより、モデルが小さな変化や、二酸化炭素や硫黄サイクルの変化などにどれだけ敏感であるかをプロジェクトで理解できるようになります。これまで、気候変動の推定は、1 回、またはせいぜい非常に小さなアンサンブル (数千ではなく数十) のモデル実行を使用して行う必要がありました。参加者のコンピューターを使用することで、プロジェクトは、現在科学者が利用できるスーパーコンピューターを使用しても不可能なほど、気候変動予測の理解と信頼性を向上させることができます。

climate prediction .net 実験は、気候変動に関する政府間パネル(IPCC)が 2001 年に優先度の高い課題として特定した「複雑なモデルを使用した長期アンサンブル シミュレーションを含む、気候予測とシナリオの不確実性を定量化する手法の改善」を支援することを目的としています。この実験により、意思決定者が 21 世紀の最大の潜在的地球規模の問題の 1 つに対処するためのより優れた科学的根拠が得られることが期待されます。

上のグラフに示されているように、さまざまなモデルは、時間の経過とともにかなり広い範囲で結果が分布しています。各曲線の右端には、対応するモデル バージョンの最終的な温度範囲を示すバーがあります。モデルが将来に拡張されるほど、モデル間の差異は大きくなります。差異の約半分は、モデルの不確実性ではなく、将来の気候強制シナリオに依存しています。シナリオ の改善やモデルの改善によるこれらの差異の減少が望まれます。climate prediction .net は、シナリオではなくモデルの不確実性に取り組んでいます。

現在、科学者はモデルを実行して、モデルの x% が z の気候強制力に応じて y 度温暖化することがわかりますが、x% が現実世界でそれが起こる確率を適切に表しているかどうかは不明です。過去の気候強制力と初期条件 (ハインドキャスト) が与えられた場合、一部のモデルは過去の気候をうまく再現でき、一部のモデルはうまく再現できません。うまく再現できないモデルよりも、過去の再現が得意なモデルを信頼するのは理にかなっています。したがって、うまく再現できないモデルは重み付けが低くなります。^[3]

climate prediction .net が所有し、配布するさまざまなモデルを、時系列順に以下に詳しく説明します。したがって、最近参加した人は、過渡結合モデルを実行している可能性があります。

• クラシックスラブモデル- BOINCに含まれないオリジナルの実験。詳細については#オリジナルモデルを参照してください。このモデルはOU短期コースでのみ使用されています。^[8]
• BOINC スラブ モデル- 従来のスラブ モデルと同じですが、BOINCでリリースされています。
• 熱塩循環 (THC) モデル-熱塩循環の強度が低下した場合の気候の変化について調査するはは、上記のスラブ モデルと同一でした。4 番目の段階では、他の実行から得られた北大西洋のSST の変化を適用することで、熱塩循環の 50% 減速の影響を適用しました。 ^[9]
• 硫黄循環モデル- 硫酸エアロゾルが気候に与える影響の調査。この実験では、ジメチルスルフィドや硫酸エアロゾルを含むさまざまな化合物の形態の硫黄をモデル化します。 ^{[10]この実験は 2005 年 8 月に開始され、} Hindcastの前提条件でした。これは 5 段階のモデルで、合計 75 モデル年です。タイムステップは約 70% 長く、モデルは最初のスラブ モデルよりも約 2.8 倍長くなります。 ^[11]いくつかのモデルはまだトリックをしていますが、モデルは 2006 年以降発行されていません^{。 [12]}
• 結合スピンアップ モデル- 初期のスラブ モデルよりも動的かつ現実的な方法で海洋の影響を基本モデルに組み込みます。これはHindcastの前提条件でした。これは完了しましたが、計画どおり、公開されませんでした。これは 200 年間のモデルであり、過渡結合モデルのリリースには 2006 年 2 月までに結果が必要だったため、最速の 200 ～ 500 台のコンピューターが参加するよう招待されました。
• 過渡結合モデル- これは80年間の予測と80年間の予報から構成されています。予測は、1920年から2000年の気候を再現するモデルの性能をテストするためのものです。 ^{[13]これは2006年2月に}BBC Climate Change Experimentのブランドで開始され、後にCPDNサイトからもリリースされました。
• 季節的アトリビューションプロジェクト- これは、極端な降水イベントを観察するための単一モデル年の高解像度モデルです。この実験は単一モデル年のため非常に短いですが、セルの数は13.5倍で、タイムステップは30分ではなく10分です。この追加の解像度は、少なくとも1.5ギガバイトのRAMが必要であることを意味します。HadAM3-N144気候モデルを使用します。 ^[14]

マイルズ・アレンは1997 年に初めて大規模な気候アンサンブルの必要性について考えましたが、 SETI@homeの成功を知ったのは1999 年になってからでした。1999 年 4 月に行われた最初の資金提供提案は、まったく非現実的であるとして却下されました。

1999年9月にハンブルクで開催された世界気候会議での発表と、1999年10月のネイチャー誌^[15]での論評を受けて、何千人もの人々が、すぐにでも利用可能になるはずのこのプログラムにサインアップしました。ドットコムバブルの崩壊は状況を悪化させ、プロジェクトは、プログラミングの大部分をアウトソーシングではなく、自分たちで行わなければならないことに気づきました。

このプロジェクトは 2003 年 9 月 12 日に開始され、2003 年 9 月 13 日には地球シミュレータの能力を超え、世界最大の気候モデリング施設となりました。

2003 年のリリースでは、 Windows の「クラシック」クライアントのみがリリースされました。2004 年 8 月 26 日には、 Windows、 Linux、Mac OS XクライアントをサポートするBOINCクライアントがリリースされました。「クラシック」は、 Open Universityコースをサポートするため、今後数年間は引き続き提供されます。BOINC は、硫黄循環モデルを優先してクラシック モデルの配布を中止しました。気候予測.net やその他の BOINC プロジェクトをサポートする、よりユーザー フレンドリな BOINC クライアントと Web サイトである GridRepublic が、2006 年にベータ版としてリリースされました。

2004 年 5 月、映画「デイ・アフター・トゥモロー」に合わせて、古典的な枠組みで熱塩循環減速実験が開始されました。このプログラムはまだ実行できますが、ダウンロードはできなくなりました。科学的分析は、ニック・フォールの論文にまとめられています。この論文に関する論文はまだ完成していません。このモデルを使ったさらなる研究は計画されていません。

硫黄循環モデルは2005 年 8 月に開始されました。3 つのフェーズではなく 5 つのフェーズがあるため、元のモデルよりも完成までに時間がかかりました。各タイムステップもより複雑になりました。

2005 年 11 月までに、完了した結果の総数は、クラシック モデル 45,914 件、熱塩モデル 3,455 件、BOINC モデル 85,685 件、硫黄循環モデル 352 件になりました。これは、処理されたモデル年数が 600 万年を超えたことを意味します。

2006年2月、プロジェクトはより現実的な気候モデルへと移行しました。BBC気候変動実験^[16]が開始され、初日には約23,000人の参加者を集めました。過渡気候シミュレーションでは現実的な海洋が導入されました。これにより、二酸化炭素レベルの倍増などの大きな変化に対する平衡応答ではなく、気候強制力が変化したときの気候応答の変化を実験で調査できるようになりました。そのため、実験は現在、1920年から2000年の予測と2000年から2080年の予測に移行しています。このモデルははるかに時間がかかります。

BBCは最初の 3 週間で 12 万台を超えるコンピューターが参加してこのプロジェクトを宣伝しました。

2006 年 3 月には、別のプロジェクトであるSeasonal Attribution Projectとして高解像度モデルがリリースされました。

2006年4月、結合モデルにデータ入力の問題があることが判明しました。この研究は宣伝されていた目的とは異なる目的に役立ったため、新しいモデルを配布する必要がありました。^{[17] [18]}

実験の最初の結果は2005年1月にネイチャー誌に掲載され、妥当な範囲内でパラメータをわずかに変更するだけで、モデルは2℃未満から11℃以上の気候感度を示すことができることが示されました。^[19]より高い気候感度は、非現実的であると異議を唱えられてきました。例えば、ギャビン・シュミット（ニューヨークのNASAゴダード宇宙研究所の気候モデル研究者）はそう主張しています。^[20]

気候感度は、二酸化炭素濃度が倍増した場合の地球の平均気温の平衡反応として定義されます。現在の二酸化炭素濃度は約 420 ppm で、産業革命前の濃度 280 ppm と比較して、年間 1.8 ppm の割合で増加しています。^{[引用が必要]}

5℃を超える気候感度は、破滅的であると広く認められている。^{[21]観測結果から、このような高い感度が妥当である可能性は、気候}予測.net実験以前にも報告されていたが、「 GCMがこのような挙動を示したのは今回が初めてである」。 ^[19]

気候感度が非常に高いモデルでさえ、「他の最先端の気候モデルと同じくらい現実的」であることが判明しました。現実性のテストは、二乗平均平方根誤差テストで行われました。これは季節変化の現実性をチェックするものではなく、より多くの診断基準が現実性に強い制約を課す可能性があります。改善された現実性テストが開発されています。

実験と気候結果の確率分布関数(pdf) を取得するという目標にとって、一部の行動を非現実的として除外するためだけでも、非常に幅広い行動を取得することが重要です。シミュレーション セットが大きいほど、pdf の信頼性が高くなります。したがって、精度が限られているにもかかわらず、気候感度が 11 °C まで高くなるモデルが含まれています。硫黄循環実験により、範囲が下方に拡大される可能性があります。

この論文はGeophysical Review Letters に掲載され、次のように結論づけている。^[22]

モデルとデータの不一致の原因の内部的に一貫した表現を使用して気候感度の確率密度関数を計算すると、5 パーセンタイルと 95 パーセンタイルはそれぞれ 2.2 K と 6.8 K になります。これらの結果、特に上限は、モデル データの不一致の原因の表現に敏感です。

学校が気候や気候モデリングに関する科目を教えるために利用できるオープンユニバーシティの短期コース^[8]と教材^[23]があります。また、キーステージ3/4科学、Aレベル物理学（上級物理学）、キーステージ3/4数学、キーステージ3/4地理、21世紀の科学、一般理解のための科学、数学の活用、初等教育で使用できる教材もあります。

元の実験はHadSM3で実行されます。これはHadCM3モデルのHadAM3大気ですが、完全な動的海洋ではなく「スラブ」海洋のみを使用しています。これは完全なモデルよりも高速 (および必要なメモリが少ない) ですが、2100 年までの気候変動の予測に使用される完全な海洋大気結合モデルに組み込まれている海洋からの動的フィードバックがありません。

ダウンロードした各モデルには、さまざまなモデルパラメータがわずかに異なります。

15 モデル年の初期「較正フェーズ」では、モデルは「フラックス補正」を計算します。これは、モデル海洋のバランスを保つために必要な追加の海洋大気フラックスです (モデル海洋には海流は含まれません。これらのフラックスは、失われた海流によって運ばれる熱をある程度補います)。

15 年間の「制御フェーズ」では、海洋温度は変動することが許されます。フラックス補正によりモデルは安定するはずですが、実行の一部でフィードバックが発生しました。年間平均温度に基づく品質管理チェックがあり、このチェックに合格しなかったモデルは破棄されます。

「二重 CO2 フェーズ」では_、 CO2_含有量が瞬時に 2 倍になり、モデルはさらに 15 年間実行されますが、場合によっては、新しい (より暖かい) 平衡状態に落ち着くにはモデル時間が十分ではありません。このフェーズでは、物理的に非現実的な結果をもたらした一部のモデルが再び破棄されました。

_{制御フェーズと 2*CO 2}フェーズの品質管理チェックは非常に弱く、明らかに非物理的なモデルを除外するには十分ですが、季節サイクルのシミュレーションのテストなどは含まれていません。そのため、合格したモデルの一部は依然として非現実的な可能性があります。さらなる品質管理対策が開発中です。

2 倍の CO ₂相の温度は指数的に外挿され、平衡温度が算出されます。この温度と制御相の温度差は、モデルの特定のバージョンの 気候感度の尺度となります。

多くのボランティア コンピューティング プロジェクトには、アプリケーションのアクティビティを視覚的に示すスクリーン セーバーがありますが、計算中の結果は表示されません。対照的に、climate prediction .net は、モデル化されている世界の気候を表示する組み込みの視覚化機能を使用するだけでなく、気候のさまざまな側面 (気温、降雨量など) を表示できるインタラクティブ機能も備えています。さらに、モデルの動作をユーザーがさらに詳しく確認したり (通常は以前に生成された結果を分析することによって)、さまざまな実行やモデルを比較したりできる、より高度な視覚化プログラムもあります。

2003年に発表されたモデルのリアルタイムデスクトップ可視化は、NAGのJeremy Walton氏によって開発され^[24]、地球表面の雲量や気温の変化に応じてユーザーがシミュレーションの進行状況を追跡できるようにしました。使用されているその他のより高度な可視化プログラムには、CPViewとIDL Advanced Visualisationがあります。これらは同様の機能を備えています。CPViewは、実験の参加者であるMartin Sykes氏によって作成されました。IDL Advanced Visualisationは、レディング大学（英国）のAndy Heaps氏によって作成され、Tesella Support Services plcによってBOINCバージョンで動作するように修正されました。

CPViewだけが、通常の気温、気圧、降雨量、積雪量、雲量ではなく、異常な診断結果を見ることができます。^[25]最大5セットのデータを地図上に表示できます。また、最大値、最小値、さらなるメモリ機能、その他の機能など、より幅広い機能を備えています。

高度な視覚化には、地域別グラフ、1 日、2 日、7 日間のグラフ、および季節や年間平均 (両方のパッケージで実行可能) のより一般的なグラフを作成する機能があります。また、緯度 - 高度プロットや時間 - 高度プロットもあります。

CPView のダウンロード サイズははるかに小さく、CPView はWindows 98でも動作します。

2008 年 12 月現在、新しい CPDN モデルで動作する視覚化ツールはありません。CPView も Advanced Visualisation も、これらのモデルから収集されたデータを表示できるように更新されていません。そのため、ユーザーはスクリーンセーバーを通じてのみデータを視覚化できます。

BBC気候変動実験は、オックスフォード大学が主導し、英国気象庁、BBC、オープン大学、レディング大学などの複数のパートナーが参加したBOINCプロジェクトでした。これはclimateprediction.net プロジェクトの 過渡結合モデルです。

このプロジェクトには多くの参加者が参加し、12万人以上がチームを組んで参加した。^[26]

結果はしばらく収集され続け、2007年1月に続編のテレビ番組が放映された。2009年3月8日、climate prediction.netはBBC気候変動実験が終了したことを公式に発表し、プロジェクトを閉鎖した。^[27]

• 公式サイト
• climateprediction.net の統計
• YouTubeの climateprediction.net スクリーンセーバー ビデオ
• 「climateprediction.net」。BOINCラジオ プロジェクト概要(ポッドキャスト)。

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