Modelo climático global

Los modelos climáticos son sistemas de ecuaciones diferenciales basados en las leyes básicas de la física , movimiento fluido, y la química . Para "ejecutar" un modelo, los científicos dividen el planeta en una cuadrícula de 3 dimensiones, se aplican las ecuaciones básicas, y evaluar los resultados. Los modelos atmosféricos calculan vientos , transferencia de calor, radiación, humedad relativa, y la superficie de la hidrología dentro de cada rejilla y evaluar las interacciones con los puntos vecinos. Los vientos, transferencia de calor y otras cantidades sólo se utilizan para calcular un resultado final para que no se necesitan para corresponder a las condiciones del mundo real, y en algunos esquemas numéricos se introducen cantidades ficticias.

Un modelo de circulación general (MCG) es un modelo matemático de la circulación general de una atmósfera planetaria o el océano y en base a las ecuaciones de Navier-Stokes ecuaciones en una esfera que gira con términos termodinámicos para diversas fuentes de energía (radiación, calor latente). Estas ecuaciones son la base de complejos programas informáticos utilizados para la simulación de la atmósfera o el océano de la Tierra . Atmosférica y Oceánica MCG (AGCM y OGCM) son componentes clave de los modelos climáticos globales, junto con los componentes del hielo marino y la superficie terrestre. Los modelos climáticos globales MCG y se aplican ampliamente para la predicción del tiempo , la comprensión del clima , y proyectar el cambio climático . Versiones diseñadas para década para aplicaciones climáticas escala de tiempo del siglo se crearon originalmente por Syukuro Manabe y Kirk Bryan en el Laboratorio Geofísico de Dinámica de Fluidos en Princeton, Nueva Jersey. Estos modelos numéricos computacionalmente intensivas se basan en la integración de una variedad de dinámica de fluidos, química, y las ecuaciones veces biológicos.

Historia

En 1956, Norman Phillips desarrolló un modelo matemático que realista podría representar patrones mensuales y estacionales en la troposfera, que se convirtió en el primer éxito de modelos climáticos . Siguiendo el trabajo de Phillips, varios grupos comenzaron a trabajar para crear modelos de circulación general . El primer modelo climático de circulación general que combina ambos procesos oceánicos y atmosféricos se desarrolló a finales de 1960 en el NOAA Laboratorio Geofísico de Dinámica de Fluidos. A principios de 1980, los Estados Unidos ' Centro Nacional de Investigación Atmosférica había desarrollado la atmósfera del modelo comunitario; este modelo se ha perfeccionado continuamente en la década de 2000. En 1986, se iniciaron los esfuerzos para inicializar y tipos de modelo de suelo y vegetación, lo que llevó a las previsiones más realistas. Modelos climáticos acoplado océano-atmósfera, como el Centro Hadley de Modelo HadCM3 actualmente están siendo utilizados como insumos para el cambio climático estudios.

Atmosférica vs modelos oceánicos

Hay dos modelos de circulación general de la atmósfera (AGCM) y MCG oceánicas (OGCMs). Un AGCM y un OGCM pueden acoplarse entre sí para formar un océano-atmósfera junto modelo de circulación general (CGCM o AOGCM). Con la adición de otros componentes (como un modelo de hielo marino o un modelo para la evapotranspiración de la tierra), el AOGCM se convierte en la base para un completo modelo climático . Dentro de esta estructura, pueden existir diferentes variaciones, y su variación de respuesta al cambio climático pueden ser estudiados (por ejemplo, el Sol y Hansen, 2003).

Tendencias de modelado

Una tendencia reciente en los MCG es aplicar como componentes de los modelos del sistema Tierra, por ejemplo mediante el acoplamiento a modelos de hoja de hielo de la dinámica de la Groenlandia y Las capas de hielo de la Antártida, y uno o más los modelos de transporte químico (CTMs) para especies importantes para el clima. Así, una CTM carbono puede permitir un MCG para predecir mejor los cambios en dióxido de carbono concentraciones resultantes de cambios en las emisiones antropogénicas. Además, este enfoque permite que representa para la retroalimentación entre sistemas: por ejemplo, modelos químico-climáticos permiten a los posibles efectos del cambio climático en la recuperación del agujero de ozono que se estudiarán.

Incertidumbres de predicción del clima dependen de las incertidumbres en los modelos químicos, físicos y sociales (ver escenarios del IPCC abajo). Se ha avanzado en la incorporación de la química y la física más realista en los modelos, pero las incertidumbres e incógnitas persisten importantes, especialmente en cuanto a la evolución futura de la población humana, la industria y la tecnología.

Tenga en cuenta que muchos niveles más simples de modelo climático existen; algunos son sólo de interés heurístico, mientras que otros siguen siendo científicamente relevante.

La estructura del modelo

Tridimensional MCG (más propiamente de cuatro dimensiones) discretizar las ecuaciones de movimiento fluido e integrar estos adelante en el tiempo. También contienen parametrizaciones para los procesos tales como la convección - - que se producen en escalas demasiado pequeñas para ser resuelta directamente. Más sofisticados modelos pueden incluir representaciones del carbono y otros ciclos.

Un simple modelo de circulación general (SGCM), un mínimo de GCM, consiste en una núcleo dinámico que relaciona las propiedades del material tales como la temperatura de las propiedades dinámicas tales como la presión y la velocidad. Ejemplos de ello son los programas que resuelven el ecuaciones primitivas, entrada de energía dada en el modelo, y la energía la disipación en forma de dependiente de la escala la fricción, de modo que ondas atmosféricas con el más alto números de onda son las más fuertemente atenuadas. Estos modelos pueden ser utilizados para estudiar los procesos atmosféricos dentro de un marco simplificado, pero no son adecuados para las proyecciones climáticas futuras.

MCG Atmosféricas (AGCM) modelar la atmósfera (y típicamente contienen un modelo de superficie de la tierra también) e imponer temperatura superficial del mar (TSM). Una gran cantidad de información, incluyendo la documentación del modelo está disponible en AMIP. Pueden incluir la química atmosférica.

• AGCMs consisten de un núcleo dinámico que integra las ecuaciones de movimiento de fluido, típicamente para:
  • presión superficial
  • componentes horizontales de la velocidad en capas
  • vapor de la temperatura y el agua en las capas
• En general, hay un código de radiación, dividida en ola solar / corto y / / onda larga infrarroja terrestre
• Parametrizaciones se utilizan para incluir los efectos de diversos procesos. Todos AGCMs modernas incluyen parametrizaciones para:
  • convección
  • procesos de la superficie de la tierra, el albedo y la hidrología
  • cubierta de nubes

A GCM contiene un número de ecuaciones de pronóstico que están escalonados hacia delante en el tiempo (típicamente vientos, la temperatura, la humedad y la presión de la superficie) junto con un número de ecuaciones de diagnóstico que se evalúan a partir de los valores simultáneos de las variables. Como un ejemplo, la presión a cualquier altura puede ser diagnosticada mediante la aplicación de la ecuación hidrostática a la presión de la superficie predicho y los valores predichos de temperatura entre la superficie y la altura de interés. La presión diagnosticado de esta manera a continuación, se utiliza para calcular la fuerza del gradiente de presión en la ecuación dependiente del tiempo para los vientos.

Modelo MCG Oceanic (OGCMs) el océano (con flujos de la atmósfera impuesta) y puede o no contener un mar de hielo modelo. Por ejemplo, la resolución estándar de HadOM3 es de 1,25 grados en latitud y longitud, con 20 niveles verticales, dando lugar a aproximadamente 1.500.000 variables.

MCG acoplados atmósfera-océano (MCGAO) (por ejemplo, HadCM3, GFDL CM2.X) se combinan los dos modelos. De este modo, tienen la ventaja de eliminar la necesidad de especificar los flujos a través de la interfaz de la superficie del océano. Estos modelos son la base de sofisticados modelos de predicción del clima futuro, como son discutidas por el IPCC.

AOGCMs representan el pináculo de la complejidad en los modelos climáticos e internalizar tantos procesos como sea posible. Son las únicas herramientas que podrían proporcionar predicciones regionales detallados del futuro cambio climático. Sin embargo, todavía están en desarrollo. Los modelos más simples son generalmente susceptibles de análisis simple y sus resultados son generalmente fáciles de entender. AOGCMs, por el contrario, suelen ser casi tan difícil de analizar ya que el sistema climático real.

Rejillas Modelo

Las ecuaciones de fluidos para AGCMs se discretizado usando el método de diferencias finitas o la método espectral. Para las diferencias finitas, se impone una cuadrícula en la atmósfera. La rejilla simple utiliza espaciado constante angular rejilla (es decir, a / rejilla latitud y longitud), sin embargo, las redes no rectantangular más sofisticados (por ejemplo, icohedral) y rejillas de resolución variables se utilizan con más frecuencia. El modelo "LMDZ" puede estar dispuesto para dar alta resolución sobre cualquier sección determinada del planeta. HadGEM1 (y otros modelos oceánicos) utilizan una cuadrícula de océano con una resolución más alta en los trópicos para ayudar a resolver los procesos que se consideran importantes para el ENSO . En general, los modelos espectrales utilizan una rejilla gaussiano, a causa de las matemáticas de la transformación entre el espacio espectral y el punto de retícula. Las resoluciones AGCM son entre 1 y 5 grados en latitud o longitud: el modelo Hadley Centre HadCM3, por ejemplo, utiliza 3.75 en longitud y 2,5 grados en latitud, dando una cuadrícula de 96 por 73 puntos (96 x 72 para algunas variables); y tiene 19 niveles en la vertical. Esto se traduce en aproximadamente 500.000 variables "básicas", ya que cada punto de la cuadrícula tiene cuatro variables ( u, v, T , Q), aunque cuenta llena daría más (nubes, los niveles de suelo). HadGEM1 utiliza una red de 1.875 grados en longitud y 1.25 en la latitud en la atmósfera; HiGEM, una variante de alta resolución, utiliza 1.25 x 0.83 grados respectivamente. Estas resoluciones son inferiores a los que se suele utilizar para la predicción del tiempo. Resoluciones del océano tienden a ser mayores, por ejemplo HadCM3 tiene 6 puntos de la rejilla del océano por punto de la cuadrícula atmosférica en la horizontal.

Para un modelo estándar de diferencias finitas, las líneas de división uniformes convergen hacia los polos. Esto daría lugar a inestabilidades computacionales (véase Condición CFL) y así las variables del modelo deben filtrarse a lo largo de las líneas de latitud cerca de los polos. Los modelos oceánicos sufren de este problema también, a menos que se utiliza una rejilla rotada en la que el polo norte se desplaza sobre una masa de tierra cerca. Los modelos espectrales no sufren este problema. Hay experimentos que usan redes geodésicas y rejillas icosaédricos, que (siendo más uniforme) no tienen polos problemas. Otro enfoque para resolver el problema espaciado de la rejilla es para deformar un cubo cartesiano tal que cubre la superficie de una esfera.

Corrección Flux

Las primeras generaciones de AOGCMs requiere un proceso un tanto ad hoc de "corrección de flujo" para lograr un clima estable. El peligro, sin embargo, es que un modelo puede necesitar correcciones de flujo debido a irrealmente fuertes procesos de retroalimentación que dan como resultado una transición a un estado clima diferente. Como resultado, ha habido un fuerte movimiento de alejamiento del uso de correcciones de flujo, y la gran mayoría de los modelos utilizados en la actual ronda de la Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático no se utilicen. Las mejoras modelo que ahora hacen las correcciones de flujo innecesario son diversas, pero incluyen la mejora de la física del océano, una mejor resolución en tanto atmósfera y el océano, y el acoplamiento más consistente físicamente entre atmósfera y océano modelos.

Convección

Convección húmeda provoca la liberación de calor latente y es importante para el balance de energía de la Tierra. La convección se produce en una escala demasiado pequeña para ser resuelto por los modelos climáticos, y por lo tanto debe ser parametrizado. Esto se ha hecho desde los primeros días de la modelización del clima, en la década de 1950. Akio Arakawa hizo gran parte del trabajo temprano y todavía se utilizan variantes de su esquema aunque hay una variedad de diferentes esquemas de ahora en uso . El comportamiento de las nubes aún es poco conocido y es parametrizada. .

Las variables de salida

La mayoría de los modelos incluyen software para diagnosticar una amplia gama de variables para la comparación con observaciones o estudio de los procesos atmosféricos. Un ejemplo es la temperatura de 1,5 metros, que es la altura estándar para observaciones cerca de la superficie de la temperatura del aire. Esta temperatura no está directamente predijo a partir del modelo, pero se deduce de las temperaturas de la superficie y la más baja en el modelo de capa. Otro software se utiliza para la creación de diagramas y animaciones.

Las proyecciones del futuro cambio climático

Muestra la distribución del calentamiento durante el final del ^siglo 21 predicha por el modelo climático HadCM3 (uno de los utilizados por el IPCC), si un escenario business as usual se asume para el crecimiento económico y las emisiones de gases de efecto invernadero. El calentamiento promedio pronosticado por este modelo es de 3,0 ° C.

Acoplados océano-atmósfera MCG utilizan simulaciones climáticas transitorias para proyectar / predicen cambios de temperatura futuras bajo distintos escenarios. Estos escenarios pueden ser idealizadas (más comúnmente, CO ₂ aumentando en el 1% / año) o más realista (por lo general el "IS92a" o más recientemente la Escenarios del IE-EE). ¿Qué escenarios se deben considerar más realista es actualmente incierto, ya que las proyecciones de futuro de CO ₂ (y sulfato) de emisión son ellos mismos incierto.

El 2001 Tercer Informe de Evaluación del IPCC Figura 9.3 muestra la respuesta media mundial de 19 modelos acoplados diferentes para un experimento idealizado en el que el CO ₂ se incrementa en un 1% por año . La Figura 9.5 muestra la respuesta de un menor número de modelos a forzar más realista. Para los modelos climáticos 7 se muestra allí, el cambio de temperatura a 2100 varía de 2 y 4,5 ° C con una mediana de aproximadamente 3 ° C.

Escenarios de futuro no incluyen eventos incognoscibles - por ejemplo, las erupciones volcánicas o cambios en el forzamiento solar. Estos efectos se cree que son pequeñas en comparación con GHG forzando a largo plazo, pero las grandes erupciones volcánicas, por ejemplo, son conocidos para ejercer un efecto de enfriamiento temporal.

Las emisiones humanas de gases de efecto invernadero son una entrada externa a los modelos, aunque sería posible acoplar en un modelo económico para proporcionar estos también. Niveles de GEI atmosférica se suministran normalmente como una entrada, aunque es posible incluir un modelo del ciclo del carbono, incluida la vegetación terrestre y los procesos oceánicos para calcular los niveles de gases de efecto invernadero.

Escenarios de emisiones

Para los seis escenarios del IE-EE marcadores, IPCC (2007: 7-8) dio una "mejor estimación" del aumento de la temperatura media mundial (2090-2099 en relación con el período 1980-1999), que osciló entre 1,8 ° C y 4,0 ° C. Durante el mismo período de tiempo, el rango de "probable" (mayor que 66% de probabilidad, basado en la opinión de expertos) para estos escenarios era para un incremento de la temperatura media global de entre 1,1 y 6,4 ° C.

Papa (2008) describe un estudio en el que se hicieron las proyecciones de cambio climático utilizando varios diferentes escenarios de emisiones. En un escenario en el que las emisiones globales empiecen a disminuir en 2010 y luego disminuir a un ritmo sostenido de 3% por año, el probable aumento de la temperatura media mundial se prevé que sea de 1,7 ° C por encima de los niveles preindustriales para el año 2050, llegando a alrededor de 2 ° C para el año 2100. En una proyección diseñada para simular un futuro en el que no se hacen esfuerzos para reducir las emisiones globales, el probable aumento de la temperatura media mundial se prevé que sea de 5,5 ° C para el año 2100. Un aumento de hasta 7 ° C se pensaba posible pero menos probable.

Sokolov et al. (2009) examinó un escenario diseñado para simular un futuro en el que no existe una política para reducir las emisiones. En su modelo integrado, este escenario dio lugar a un calentamiento medio de la tierra (2090-2099 en relación con el período 1980-1999) de 5,1 ° C. Bajo el escenario mismas emisiones pero con diferente modelización del clima futuro, el calentamiento promedio pronosticado fue de 4,1 ° C.

La precisión de los modelos que predicen el calentamiento global

La media de las temperaturas globales a partir de observaciones y dos modelos climáticos.

Errores de TSM en HadCM3

Precipitación de América del Norte de diversos modelos.

Predicciones de temperatura de algunos modelos climáticos asumiendo el escenario de emisiones SRES A2.

AOGCMs representan el pináculo de la complejidad en los modelos climáticos e internalizar tantos procesos como sea posible. Sin embargo, todavía están en fase de desarrollo y se mantiene la incertidumbre. Ellos pueden ser acoplados a modelos de otros procesos, tales como la ciclo del carbono, así como a mejores efectos de retroalimentación modelo. La mayoría de las simulaciones recientes muestran un acuerdo "plausible" con las anomalías de temperatura medidos en los últimos 150 años, cuando obligado por los cambios observados en los gases de invernadero y aerosoles, pero se logra un mejor acuerdo cuando también se incluyen forzamientos naturales.

Ningún modelo - ya sea un modelo de túnel de viento para el diseño de la aeronave, o un modelo climático para proyectar el calentamiento global - reproduce a la perfección el sistema que se está modelando. Sin embargo, tales modelos inherentemente imperfectas pueden producir resultados útiles. En este contexto, los MCG son capaces de reproducir las características generales de la temperatura global observado durante el siglo pasado.

Un debate sobre la forma de conciliar las predicciones de los modelos climáticos que el aire (la troposfera) calentamiento superior debe ser mayor que el calentamiento de la superficie, con las observaciones de algunos de los cuales parecían mostrar lo contrario ahora parece haberse resuelto a favor de los modelos, tras las revisiones a los datos: ver registro de temperatura por satélite .

Los efectos de las nubes son un área importante de la incertidumbre en los modelos climáticos. Las nubes tienen efectos competitivos sobre el clima. Uno de los papeles que desempeñan las nubes en el clima está en el enfriamiento de la superficie reflejando la luz solar de vuelta al espacio; otro se está calentando por el aumento de la cantidad de radiación infrarroja emitida desde la atmósfera a la superficie. En el informe de 2001 del IPCC sobre el cambio climático, los posibles cambios en la nubosidad se destacaron como una de las incertidumbres dominantes en predecir el futuro cambio climático; ver también .

Miles de investigadores del clima en todo el mundo utilizan los modelos climáticos para comprender el sistema climático. Hay miles de artículos publicados sobre estudios basados en modelos en revistas revisadas por pares - y una parte de esta investigación es el trabajo para mejorar los modelos. Mejora ha sido difícil pero constante (el más obvio, el estado de los MCGAO arte ya no requieren corrección de flujo), y el progreso ha llevado a veces a descubrir nuevas incertidumbres.

En 2000, una comparación entre las mediciones y docenas de simulaciones GCM de ENSO impulsada precipitación tropical, vapor de agua, la temperatura y la radiación de onda larga saliente encontró similitud entre las mediciones y la simulación de la mayoría de los factores. Sin embargo el cambio simulado en la precipitación fue cerca de un cuarto menos de lo observado. Los errores en la precipitación simulada implican errores en otros procesos, tales como errores en la velocidad de evaporación que proporciona la humedad para crear precipitación. La otra posibilidad es que las mediciones basadas en satélites están en error. O bien indica que se requiere el progreso con el fin de vigilar y predecir tales cambios.

Un análisis más completo de los modelos climáticos es proporcionada por el IPCC TAR capítulo 8, Modelo de Evaluación (2001).

• El modelo significa exposiciones buen acuerdo con las observaciones.
• Los modelos individuales a menudo presentan peor acuerdo con las observaciones.
• Muchos de los modelos no-flujo ajustado sufrido clima irreal deriva hasta alrededor de 1 ° C / siglo la temperatura media de la superficie.
• Los errores en modelo de la temperatura media del aire en superficie rara vez superan los 1 ° C sobre los océanos y 5 ° C sobre los continentes; errores de precipitación y presión del nivel del mar son relativamente mayores pero las magnitudes y patrones de estas cantidades son reconociblemente similar a las observaciones.
• La temperatura del aire en superficie está particularmente bien simulado, con casi todos los modelos que se ajustan estrechamente la magnitud observada de la varianza y que muestran una correlación> 0,95 con las observaciones.
• Varianza simulada de presión a nivel del mar y la precipitación es de ± 25% del observado.
• Todos los modelos tienen deficiencias en sus simulaciones del clima actual de la estratosfera, lo que podría limitar la exactitud de las predicciones del cambio climático futuro.
  • Hay una tendencia a que los modelos para mostrar un sesgo frío media global en todos los niveles.
  • Hay una gran dispersión en las temperaturas tropicales.
  • La jets noche polar en la mayoría de los modelos están inclinadas hacia el polo con la altura, en contraste notable con una inclinación hacia el ecuador del chorro observado.
  • Hay un grado diferente de la separación de los modelos entre el invierno chorro subtropical y la noche en chorro polar.
• Durante casi todos los modelos el error RMS en zonal- y anual de la temperatura media del aire en superficie es pequeña en comparación con su variabilidad natural.
  • Hay problemas en la simulación de la variabilidad estacional natural. (2000)
    • En los modelos de flujo ajustados, las variaciones estacionales son simuladas a menos de 2 K de los valores observados en los océanos. El promedio correspondiente sobre modelos no ajustados de flujo muestra los errores hasta aproximadamente 6 K en extensas zonas oceánicas.
    • Cerca de la superficie errores de temperatura de la tierra son sustanciales en la media de los modelos de flujo ajustada, lo que subestima sistemáticamente (alrededor de un 5 K) de temperatura en zonas de terreno elevado. El promedio correspondiente sobre modelos no ajustados de flujo forma un patrón de error similar (con algo mayor amplitud) sobre la tierra.
    • En el Océano Austral latitudes medias, los modelos no-flujo ajustados sobreestimar la magnitud de las diferencias de temperatura enero-menos-julio por ~ 5 K debido a una sobreestimación de verano (enero) la temperatura cerca de la superficie. Este error es común a cinco de los ocho modelos no de flujo ajustado.
    • En las zonas terrestres del Hemisferio Norte en latitudes medias, las diferencias de medias zonales entre las temperaturas de julio y enero simulados por los modelos no-flujo ajustados muestran una mayor propagación (positiva y negativa) sobre los valores observados que los resultados de los modelos de flujo ajustado.
    • La capacidad de los modelos de circulación general acoplados para simular un ciclo estacional razonable es una condición necesaria para la confianza en su predicción de los cambios climáticos a largo plazo (como el calentamiento global), pero no es una condición suficiente a menos que las de ciclo y largo plazo los cambios estacionales implican procesos climáticos similares.
• Modelos climáticos acoplados no simulan con nubes precisión razonable y algunos procesos hidrológicos relacionados (en especial las relacionadas con la humedad de la troposfera superior). Los problemas en la simulación de nubes y la humedad de la troposfera superior, siguen siendo preocupantes porque los procesos asociados representan la mayor parte de la incertidumbre en los modelos climáticos simulaciones del cambio antropogénico.

La magnitud exacta de los cambios futuros en el clima sigue siendo incierto ; para el final del siglo 21 (2071-2100), para SRES escenario A2, el cambio de la media global de cambio SAT de MCGAO en comparación con 1961-1990 es 3,0 ° C (4,8 ° F) y el rango es de 1,3 a 4,5 ° C (2 a 7,2 ° F).

La previsión del cambio climático son inevitablemente incierto. Incluso el grado de incertidumbre es incierto, un problema que se deriva del hecho de que estos modelos climáticos no necesariamente abarcan toda la gama de conocido el comportamiento del sistema climático.

Relación con la previsión meteorológica

Los modelos climáticos globales utilizados para las proyecciones climáticas son muy similares en estructura a (y con frecuencia comparten código informático con) modelos numéricos de predicción del tiempo, pero sin embargo son lógicamente distintas.

La mayoría de la predicción del tiempo se realiza sobre la base de la interpretación de la salida de los resultados de modelos numéricos. Desde previsiones son a corto típicamente unos días o unos modelos de semana como no suelen contener un modelo oceánico, pero confiar en TSM impuestas. También requieren condiciones iniciales precisas para comenzar el pronóstico típicamente éstos se toman de la salida de un pronóstico anterior, con observaciones mezclados en Porque se necesitan los resultados rápidamente las predicciones se deben ejecutar en pocas horas.; pero ya que sólo necesita para cubrir una semana de tiempo real estas predicciones se pueden ejecutar en una resolución más alta que en el modo climático. Actualmente, el ECMWF corre a 40 km (25 millas) de resolución en contraposición a los km 100-a-200 (62-a-120 millas) escala utilizada por los modelos climáticos típicos. A menudo modelos anidados se ejecutan forzados por los modelos globales para condiciones de frontera, para lograr una mayor resolución locales: por ejemplo, la Met Office se ejecuta un modelo de mesoescala con una resolución de 11 kilometros (6,8 millas) que cubre el Reino Unido, y varias agencias en los EE.UU. también ejecutar modelos anidados como los modelos NAM y NGM. Como la mayoría de los modelos de predicción numérica del tiempo mundiales como el GFS, los modelos climáticos globales son modelos a menudo espectrales en lugar de los modelos de cuadrícula. Los modelos espectrales se utilizan a menudo para los modelos globales debido a que algunos cálculos en el modelado se pueden realizar más rápido reduciendo así el tiempo necesario para ejecutar la simulación del modelo.

Los cálculos involucrados

Los modelos climáticos utilizan métodos cuantitativos para simular las interacciones de la atmósfera , los océanos , superficie de la tierra, y hielo. Se utilizan para una variedad de propósitos de estudio de la dinámica del sistema climático a las proyecciones de futuro climático .

Todos los modelos climáticos tienen en cuenta entrante energía como onda corta la radiación electromagnética , principalmente de onda corta visible y (casi) infrarrojos, así como la energía saliente de onda larga (FAR) la radiación electromagnética infrarroja de la tierra. Cualquier desequilibrio resulta en un cambio en la temperatura .

Los modelos que más se habla en los últimos años han sido los relativos a la temperatura las emisiones de dióxido de carbono (ver gas de efecto invernadero ). Estos modelos proyectan una tendencia al alza en el registro de la temperatura de la superficie, así como un aumento más rápido de la temperatura en las zonas altas.

Tres (o más correctamente, cuatro desde el tiempo también se considera) discretizar dimensional de GCM las ecuaciones para el movimiento del fluido y la transferencia de energía e integrar estas con el tiempo. También contienen parametrizaciones de procesos-como convección que se producen en escalas tan pequeñas que no pueden resolver directamente.

MCG Atmosféricas (AGCM) modelar la atmósfera e imponer temperaturas superficiales del mar como condiciones de contorno. MCG atmósfera-océano acoplados (MCGAO, por ejemplo, HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) se combinan los dos modelos.

Los modelos pueden variar de relativamente fácil de bastante complejo:

• Un simple modelo de transferencia de calor radiante que trata a la tierra como un solo punto y promedios energía saliente
• esto se puede ampliar verticalmente (modelos radiativo-convectivas), u horizontalmente
• finalmente, (junto) y la atmósfera océano- hielo marino modelos climáticos globales discretizar y resolver las ecuaciones completas para la transferencia de materia y energía y el intercambio radiante.

Esto no es una lista completa; para "modelos de cajas" ejemplo se puede escribir para tratar flujos a través y dentro de las cuencas oceánicas. Por otra parte, otros tipos de modelos pueden estar interrelacionados, tales como uso de la tierra, permitiendo a los investigadores predecir la interacción entre el clima y ecosistemas.

Modelos de cajas

Modelos de caja son versiones simplificadas de los sistemas complejos, reduciéndolos a las cajas (o embalses) unidos por flujos. Se supone que los cuadros para ser mezclado homogéneamente. Dentro de un cuadro dado, la concentración de cualquier Por lo tanto, las especies químicas es uniforme. Sin embargo, la abundancia de una especie dentro de un cuadro dado puede variar como una función del tiempo debido a la entrada a la (o pérdida de) la caja o debido a la producción, el consumo o la decadencia de esta especie dentro de la caja.

Modelos de cajas simples, es decir, modelo de caja con un pequeño número de cajas cuyas propiedades (por ejemplo, su volumen) no cambian con el tiempo, a menudo son útiles para derivar fórmulas analíticas que describen la dinámica y la abundancia de estado estacionario de una especie. Más modelos de cajas complejas generalmente se resuelven usando técnicas numéricas.

Modelos de caja se utilizan ampliamente para modelar sistemas ambientales o los ecosistemas y en los estudios de la circulación oceánica y el ciclo del carbono.

Modelos Zero-dimensionales

Un modelo muy simple del equilibrio radiativo de la Tierra es:

donde

• el lado izquierdo representa la energía proveniente del Sol
• el lado derecho representa la energía de salida de la Tierra, calculada a partir de la Ley de Stefan-Boltzmann suponiendo una temperatura constante radiativo, T, que se encuentra,

y

• S es la constante solar - la radiación solar incidente por unidad de área, sobre 1367 W · m ^-2
• es la Tierra media 's albedo , medido a 0,3.
• r es el radio de la Tierra, aproximadamente 6,371 × 10 ⁶ m
• π es la constante matemática (3.141 ...)
• es el Stefan-Boltzmann constante de aproximadamente 5,67 x 10 ^-8 J · ^{K -4 m -2 s -1}
• es la efectiva emisividad de la tierra, sobre 0.612

El πr constante ² se puede factorizar a cabo, dando

Resolviendo para la temperatura,

Esto produce una temperatura media de la tierra 288 K (15 ° C ; 59 ° F). Esto es debido a que la ecuación anterior representa la temperatura efectiva de radiación de la Tierra (incluyendo las nubes y la atmósfera). El uso de emisividad efectiva y albedo cuenta para el efecto invernadero .

Este modelo muy simple es muy instructivo, y el único modelo que podría caber en una página. Por ejemplo, se determina fácilmente el efecto de la temperatura promedio de la tierra de los cambios en la constante solar o cambio de albedo o eficaz emisividad tierra. Utilizando la fórmula simple, el cambio porcentual de la cantidad promedio de cada parámetro, considerado de forma independiente, para provocar un cambio de un grado Celsius en el estado de equilibrio de temperatura tierra media es la siguiente:

• Solar constante 1,4%
• Albedo 3,3%
• Emisividad efectiva 1,4%

La emisividad media de la tierra se calcula fácilmente a partir de los datos disponibles. Las emisividades de superficies terrestres son todos en el intervalo de 0,96 a 0,99 (excepto para algunas pequeñas áreas desérticas que pueden ser tan bajo como 0,7). Nubes, sin embargo, que cubren cerca de la mitad de la superficie de la tierra, tienen una emisividad promedio de alrededor de 0,5 (que debe ser reducida por la cuarta potencia de la relación de la nube temperatura absoluta a la tierra media temperatura absoluta) y una temperatura media nube de aproximadamente 258 K (-15 ° C; 5 ° F). Teniendo todo esto en cuenta adecuadamente los resultados en una emisividad tierra efectiva de aproximadamente 0,64 (temperatura media tierra 285 K (12 ° C; 53 ° F)).

Este modelo simple determina fácilmente el efecto de los cambios en la radiación solar o el cambio de albedo tierra o emisividad tierra efectiva de la temperatura promedio de la tierra. No dice nada, sin embargo en lo que podría hacer que estas cosas cambien. Modelos Zero-dimensionales no abordan la distribución de la temperatura en la tierra o los factores que mueven la energía sobre la tierra.

Modelos-radiativos convectiva

El modelo de dimensión cero arriba, utilizando la constante solar y la temperatura de la tierra media dada, determina la emisividad tierra efectiva de radiación de onda larga emitida al espacio. Esto puede ser refinado en la vertical de un modelo radiativo-convectivo de dimensión cero, que considera dos procesos de transporte de energía:

• afloramiento y hundimiento radiativo transferencia a través de las capas atmosféricas que tanto absorben y emiten radiación infrarroja
• el transporte ascendente de calor por convección (especialmente importante en el menor troposfera).

Los modelos radiativo-convectivas tienen ventajas sobre el modelo simple: se pueden determinar los efectos de la variación de gases de efecto invernadero en concentraciones emisividad efectiva y por lo tanto la temperatura de la superficie. Pero parámetros agregados son necesarios para determinar la emisividad local y albedo y abordar los factores que mueven la energía sobre la tierra.

Enlaces:

• "Efecto de hielo-albedo Comentarios sobre La sensibilidad global en un unidimensional radiativo-convectivo Climático Modelo"
• http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/258.htm

Modelos dimensión superior

El modelo de dimensión cero puede ampliarse para considerar la energía transportada horizontalmente en la atmósfera. Este tipo de modelo puede ser zonalmente promedio. Este modelo tiene la ventaja de permitir una dependencia racional de albedo local y la emisividad de la temperatura - los polos se puede permitir que estar helada y el ecuador caliente - pero la falta de verdadera dinámica significa que los transportes horizontales tienen que ser especificados.

• http://www.shodor.org/master/environmental/general/energy/application.html

Modeladores del clima

Un modelador climático es una persona que diseña, desarrolla, implementa, pruebas, mantenga o explota los modelos climáticos. Hay tres tipos principales de instituciones donde se puede encontrar un modelador climático:

• En un servicio meteorológico nacional. La mayoría de los servicios meteorológicos nacionales, al menos, tener un sección de la climatología.
• En una universidad. Departamentos que puedan tener modelos climáticos en el personal incluyen ciencias de la atmósfera, la meteorología, la climatología o geografía, entre otros.
• En los laboratorios de investigación nacionales o internacionales especializadas en este campo, como el Centro Nacional para la Investigación Atmosférica (NCAR, en Boulder, Colorado, EE.UU.), la Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL, en Princeton, Nueva Jersey, EE.UU.), la Centro Hadley (en Exeter, Reino Unido), el Instituto Max Planck de Meteorología de Hamburgo, Alemania, o el Instituto Pierre-Simon Laplace (IPSL en París, Francia ). La Programa Mundial de Investigaciones Climáticas (PMIC), organizada por el Organización Meteorológica Mundial (OMM), coordina actividades de investigación sobre la modelización del clima en todo el mundo.

Los modelos climáticos en la web

• Archivo Modelo Operativo Nacional y Sistema de Distribución (nómadas) es un Web-services NOAA proyecto basan proporcionar tanto en tiempo real y el formato acceso independiente retrospectiva a los datos de clima y tiempo modelo.
• Dapper / DChart - datos de la parcela y el modelo de descarga referencia el Cuarto Informe de Evaluación (AR4) del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático.
• http://www.hadleycentre.gov.uk/research/hadleycentre/models/modeltypes.html - Centro Hadley - Información general sobre sus modelos
• http://www.ccsm.ucar.edu/ - NCAR / UCAR Climático de la Comunidad del Sistema Modelo (CCSM)
• http://www.climateprediction.net - hágalo usted mismo la predicción del clima
• http://www.giss.nasa.gov/tools/modelE/ - el GCM investigación primaria desarrollada por la NASA / GISS (Instituto Goddard de Estudios Espaciales)
• http://edgcm.columbia.edu/ - el modelo original de la NASA / GISS climático global (GCM) con una interfaz fácil de usar para PC y Mac
• http://www.cccma.bc.ec.gc.ca/ - Info modelo CCCma e interfaz para recuperar los datos del modelo
• http://nomads.gfdl.noaa.gov/CM2.X/ - NOAA / Archivos de datos Información del modelo climático global y de salida del modelo de Dinámica de Fluidos Geofísicos Laboratorio CM2
• http://www.climate.uvic.ca/ - Universidad de Victoria modelo climático global, gratis para su descarga. Investigador principal era un autor que contribuye a la reciente Informe del IPCC sobre el cambio climático.