Modelul general de circulație - General circulation model

„AGCM” redirecționează aici. Pentru autoritatea italiană de reglementare a concurenței, a se vedea Autorità Garante della Concorrenza e del Mercato .

Modelele climatice sunt sisteme de ecuații diferențiale bazate pe legile de bază ale fizicii , mișcării fluidelor și chimiei . Pentru a „rula” un model, oamenii de știință împart planeta într-o grilă tridimensională, aplică ecuațiile de bază și evaluează rezultatele. Modelele atmosferice calculează vânturile , transferul de căldură , radiațiile , umiditatea relativă și hidrologia suprafeței în cadrul fiecărei rețele și evaluează interacțiunile cu punctele învecinate.
Această vizualizare arată interpretările timpurii ale unui model de calcul global al atmosferei Pământului, bazate pe date din modelul NASA Goddard Earth Observing System Model, versiunea 5 (GEOS-5).

Un model general de circulație ( GCM ) este un tip de model climatic . Acesta folosește un model matematic al circulației generale a unei atmosfere planetare sau a unui ocean. Folosește ecuațiile Navier-Stokes pe o sferă rotativă cu termeni termodinamici pentru diverse surse de energie ( radiații , căldură latentă ). Aceste ecuații stau la baza programelor de calculator utilizate pentru a simula atmosfera Pământului sau oceanele. GCM-urile atmosferice și oceanice (AGCM și OGCM ) sunt componente cheie împreună cu gheața de mare și componentele de la suprafața terestră .

GCM-urile și modelele climatice globale sunt utilizate pentru prognozarea vremii , înțelegerea climei și prognozarea schimbărilor climatice .

Versiunile proiectate pentru aplicații climatice la scară de deceniu până în secol au fost inițial create de Syukuro Manabe și Kirk Bryan la Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) din Princeton, New Jersey . Aceste modele se bazează pe integrarea unei varietăți de ecuații fluide dinamice, chimice și uneori biologice.

Terminologie

Acronimul GCM a reprezentat inițial Modelul general de circulație . Recent, a intrat în uz un al doilea sens, și anume Modelul climatic global . În timp ce acestea nu se referă la același lucru, modelele generale de circulație sunt de obicei instrumentele utilizate pentru modelarea climatului și, prin urmare, cei doi termeni sunt uneori folosiți în mod interschimbabil. Cu toate acestea, termenul „model climatic global” este ambiguu și se poate referi la un cadru integrat care încorporează mai multe componente, inclusiv un model general de circulație, sau se poate referi la clasa generală a modelelor climatice care utilizează o varietate de mijloace pentru a reprezenta climatul matematic.

Istorie

Vezi și: Predicția numerică a vremii § Istoric

În 1956, Norman Phillips a dezvoltat un model matematic care ar putea descrie în mod realist modelele lunare și sezoniere din troposferă . A devenit primul model climatic de succes . În urma muncii lui Phillips, mai multe grupuri au început să lucreze pentru a crea GCM-uri. Primul care a combinat atât procesele oceanice, cât și cele atmosferice a fost dezvoltat la sfârșitul anilor 1960 la Laboratorul de dinamică a fluidelor geofizice NOAA . La începutul anilor 1980, Centrul Național pentru Cercetări Atmosferice al Statelor Unite a dezvoltat modelul de atmosferă comunitară; acest model a fost continuu rafinat. În 1996, au început eforturile de modelare a tipurilor de sol și vegetație. Mai târziu, Centrul Hadley pentru Prognozarea climatice și de cercetare „s HadCM3 model cuplat elemente ocean atmosferă. Rolul undelor gravitaționale a fost adăugat la mijlocul anilor 1980. Undele gravitaționale sunt necesare pentru a simula cu precizie circulațiile la nivel regional și global.

Modele atmosferice și oceanice

Informații suplimentare: modelul atmosferic și modelul oceanic

GCM-urile atmosferice (AGCM) și oceanice (OGCM) pot fi cuplate pentru a forma un model de circulație generală cuplat atmosferă-ocean (CGCM sau AOGCM). Odată cu adăugarea de submodele, cum ar fi un model de gheață de mare sau un model de evapotranspirare pe uscat, AOGCM-urile devin baza pentru un model climatic complet.

Structura

GCM-urile tridimensionale (mai bine patru-dimensionale) aplică ecuații discrete pentru mișcarea fluidelor și le integrează înainte în timp. Acestea conțin parametrizări pentru procese precum convecția care apar la scări prea mici pentru a fi rezolvate direct.

Un model simplu de circulație generală (SGCM) constă dintr-un nucleu dinamic care leagă proprietăți precum temperatura de altele precum presiunea și viteza. Exemple sunt programele care rezolvă ecuațiile primitive , având în vedere aportul de energie și disiparea energiei sub formă de frecare dependentă de scară , astfel încât undele atmosferice cu cele mai mari numere de undă să fie cele mai atenuate. Astfel de modele pot fi utilizate pentru a studia procesele atmosferice, dar nu sunt potrivite pentru proiecțiile climatice.

GCM-urile atmosferice (AGCM-uri) modelează atmosfera (și de obicei conțin și un model de suprafață terestră) folosind temperaturi impuse la suprafața mării (SST). Acestea pot include chimia atmosferică.

AGCM-urile constau dintr-un nucleu dinamic care integrează ecuațiile mișcării fluidelor, de obicei pentru:

  • presiunea suprafeței
  • componente orizontale ale vitezei în straturi
  • temperatura și vaporii de apă în straturi
  • radiații, împărțite în undă solară / scurtă și undă terestră / infraroșie / lungă
  • parametrii pentru:

Un GCM conține ecuații prognostice care sunt o funcție a timpului (de obicei vânturi, temperatură, umiditate și presiune de suprafață) împreună cu ecuații de diagnostic care sunt evaluate de la ele pentru o anumită perioadă de timp. De exemplu, presiunea la orice înălțime poate fi diagnosticată prin aplicarea ecuației hidrostatice la presiunea de suprafață prevăzută și valorile de temperatură prezise între suprafață și înălțimea de interes. Presiunea este utilizată pentru a calcula forța gradientului de presiune în ecuația dependentă de timp pentru vânturi.

OGCM modelează oceanul (cu fluxuri din atmosferă impuse) și pot conține un model de gheață marină . De exemplu, rezoluția standard a HadOM3 este de 1,25 grade în latitudine și longitudine, cu 20 de niveluri verticale, ducând la aproximativ 1.500.000 de variabile.

AOGCM (de exemplu , HadCM3 , GFDL CM2.X ) combină cele două submodele. Acestea elimină necesitatea de a specifica fluxuri pe interfața suprafeței oceanului. Aceste modele stau la baza predicțiilor modelului climatului viitor, precum sunt discutate de IPCC . AOGCM internalizează cât mai multe procese posibil. Acestea au fost folosite pentru a furniza predicții la scară regională. În timp ce modelele mai simple sunt, în general, susceptibile de analiză și rezultatele lor sunt mai ușor de înțeles, AOGCM-urile pot fi aproape la fel de greu de analizat ca și climatul în sine.

Grilă

Ecuațiile fluide pentru AGCMs sunt discrete folosind fie metoda diferentelor finite sau metoda spectrală . Pentru diferențe finite, o grilă este impusă atmosferei. Cea mai simplă rețea folosește spațierea unghiulară constantă a rețelei (de exemplu, o rețea de latitudine / longitudine). Cu toate acestea, sunt folosite mai des grilele non-dreptunghiulare (de exemplu, icosaedrice) și grilele cu rezoluție variabilă. Modelul LMDz poate fi aranjat pentru a oferi o rezoluție ridicată asupra oricărei secțiuni date a planetei. HadGEM1 (și alte modele oceanice) utilizează o rețea oceanică cu rezoluție mai mare la tropice pentru a ajuta la rezolvarea proceselor considerate importante pentru oscilația sudică El Niño (ENSO). Modelele spectrale utilizează, în general, o rețea gaussiană , din cauza matematicii de transformare între spațiul spectral și punctul de rețea. Rezoluțiile tipice AGCM sunt cuprinse între 1 și 5 grade în latitudine sau longitudine: HadCM3, de exemplu, folosește 3,75 în longitudine și 2,5 grade în latitudine, oferind o grilă de 96 cu 73 de puncte (96 x 72 pentru unele variabile); și are 19 niveluri verticale. Acest lucru are ca rezultat aproximativ 500.000 de variabile „de bază”, deoarece fiecare punct al grilei are patru variabile ( u , v , T , Q ), deși un număr complet ar da mai mult (nori; niveluri de sol). HadGEM1 folosește o rețea de 1,875 grade în longitudine și 1,25 în latitudine în atmosferă; HiGEM, o variantă de înaltă rezoluție, folosește 1,25 x 0,83 grade, respectiv. Aceste rezoluții sunt mai mici decât cele utilizate în mod obișnuit pentru prognoza meteo. Rezoluțiile oceanului tind să fie mai mari, de exemplu, HadCM3 are 6 puncte de rețea oceanică per punct de rețea atmosferică în orizontală.

Pentru un model standard de diferență finită, linii de rețea uniforme converg spre poli. Acest lucru ar duce la instabilități de calcul (a se vedea condiția CFL ) și astfel variabilele modelului trebuie filtrate de-a lungul liniilor de latitudine apropiate de poli. Modelele oceanice suferă și ele de această problemă, cu excepția cazului în care se folosește o rețea rotită în care Polul Nord este deplasat pe o masă terestră din apropiere. Modelele spectrale nu suferă de această problemă. Unele experimente utilizează grile geodezice și grile icosaedrice, care (fiind mai uniforme) nu au probleme cu polul. O altă abordare pentru rezolvarea problemei spațierii rețelei este deformarea unui cub cartesian astfel încât să acopere suprafața unei sfere.

Tamponarea fluxului

Unele versiuni timpurii ale AOGCM au necesitat un proces ad-hoc de „ corecție a fluxului ” pentru a obține un climat stabil. Acest lucru a rezultat din modele oceanice și atmosferice pregătite separat, care au folosit fiecare un flux implicit din cealaltă componentă diferit de ceea ce ar putea produce acea componentă. Un astfel de model nu a reușit să se potrivească cu observațiile. Cu toate acestea, dacă fluxurile ar fi „corectate”, factorii care au condus la aceste fluxuri nerealiste ar putea fi nerecunoscuți, ceea ce ar putea afecta sensibilitatea modelului. Drept urmare, marea majoritate a modelelor utilizate în actuala rundă de rapoarte IPCC nu le utilizează. Îmbunătățirile modelului care fac acum inutile corecțiile fluxului includ îmbunătățirea fizicii oceanelor, rezoluția îmbunătățită atât în ​​atmosferă, cât și în ocean și o cuplare mai consecventă fizic între atmosferă și submodele oceanice. Modelele îmbunătățite mențin acum simulări stabile, multiseculare ale climatului de suprafață, care sunt considerate a fi de o calitate suficientă pentru a permite utilizarea lor pentru proiecțiile climatice.

Convecție

Convecția umedă eliberează căldură latentă și este importantă pentru bugetul energetic al Pământului. Convecția are loc la o scară prea mică pentru a fi rezolvată de modelele climatice și, prin urmare, trebuie tratată prin intermediul parametrilor. Acest lucru a fost făcut încă din anii 1950. Akio Arakawa a făcut o mare parte din lucrările timpurii, iar variantele schemei sale sunt încă utilizate, deși o varietate de scheme diferite sunt acum utilizate. Norii sunt, de asemenea, tratați de obicei cu un parametru, pentru o lipsă similară de scară. Înțelegerea limitată a norilor a limitat succesul acestei strategii, dar nu din cauza unor deficiențe inerente ale metodei.

Software

Majoritatea modelelor includ software pentru diagnosticarea unei game largi de variabile pentru comparație cu observații sau studiul proceselor atmosferice . Un exemplu este temperatura de 2 metri, care este înălțimea standard pentru observațiile aproape de suprafață ale temperaturii aerului. Această temperatură nu este prevăzută direct din model, ci este dedusă din temperaturile de suprafață și cele mai scăzute ale stratului de model. Alte programe software sunt utilizate pentru crearea de parcele și animații.

Proiecții

Articol principal: Încălzirea globală
Temperatura medie anuală a suprafeței proiectate în perioada 1970-2100, pe baza scenariului de emisii SRES A1B, utilizând modelul climatic NOAA GFDL CM2.1 (credit: Laboratorul de dinamică a fluidelor geofizice NOAA ).

AOGCM-urile cuplate utilizează simulări climatice tranzitorii pentru a proiecta / prezice schimbările climatice în diferite scenarii. Acestea pot fi scenarii idealizate (cel mai frecvent, emisiile de CO 2 crescând cu 1% / an) sau bazate pe istoricul recent (de obicei „IS92a” sau mai recent scenariile SRES ). Ce scenarii sunt cele mai realiste rămâne incert.

2001 Raportul IPCC a treia evaluare F igure 9.3 arată răspunsul mediu global de 19 modele diferite cuplate la un experiment idealizată în care emisiile au crescut de la 1% pe an. Figura 9.5 arată răspunsul unui număr mai mic de modele la tendințele mai recente. Pentru cele 7 modele climatice prezentate acolo, schimbarea temperaturii la 2100 variază de la 2 la 4,5 ° C cu o mediană de aproximativ 3 ° C.

Scenariile viitoare nu includ evenimente necunoscute - de exemplu, erupții vulcanice sau modificări ale forțării solare. Se consideră că aceste efecte sunt mici în comparație cu forțarea gazelor cu efect de seră (GES) pe termen lung, dar erupțiile vulcanice mari, de exemplu, pot exercita un efect substanțial de răcire temporară.

Emisiile umane de GES sunt un model de intrare, deși este posibil să se includă un submodel economic / tehnologic care să le ofere și acestora. Nivelurile atmosferice de GES sunt de obicei furnizate ca intrare, deși este posibil să se includă un model al ciclului carbonului care să reflecte vegetația și procesele oceanice pentru a calcula astfel de niveluri.

Scenarii de emisii

A se vedea, de asemenea: Economia încălzirii globale: scenarii
În secolul al XXI-lea, se estimează că variațiile temperaturii medii globale vor varia în întreaga lume
Modificarea proiectată a temperaturii medii anuale a suprafeței aerului de la sfârșitul secolului al XX-lea până la mijlocul secolului al XXI-lea, pe baza scenariului de emisii SRES A1B (credit: NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory ).

Pentru cele șase scenarii de marker SRES, IPCC (2007: 7-8) a dat o „cea mai bună estimare” a creșterii medii globale a temperaturii (2090–2099 față de perioada 1980–1999) de 1,8 ° C la 4,0 ° C. În aceeași perioadă de timp, intervalul „probabil” (probabilitate mai mare de 66%, pe baza judecății experților) pentru aceste scenarii a fost pentru o creștere globală a temperaturii medii de 1,1 până la 6,4 ° C.

În 2008, un studiu a făcut proiecții climatice folosind mai multe scenarii de emisie. Într-un scenariu în care emisiile globale încep să scadă până în 2010 și apoi să scadă cu o rată susținută de 3% pe an, probabil că creșterea medie globală probabilă a temperaturii va fi cu 1,7 ° C peste nivelurile preindustriale până în 2050, crescând la aproximativ 2 ° C până în 2100. Într-o proiecție concepută pentru a simula un viitor în care nu se fac eforturi pentru a reduce emisiile globale, creșterea probabilă a temperaturii medii globale a fost prognozată a fi de 5,5 ° C până în 2100. Se credea că este posibilă o creștere de până la 7 ° C , deși mai puțin probabil.

Un alt scenariu fără reducere a dus la o încălzire mediană pe teren (2090–99 față de perioada 1980–99) de 5,1 ° C. În același scenariu de emisii, dar cu un model diferit, încălzirea mediană prevăzută a fost de 4,1 ° C.

Precizia modelului

Erori SST în HadCM3
Precipitații nord-americane din diferite modele
Prognozele de temperatură din unele modele climatice presupunând scenariul de emisii SRES A2

AOGCM internalizează câte procese sunt suficient de înțelese. Cu toate acestea, acestea sunt încă în curs de dezvoltare și rămân incertitudini semnificative. Ele pot fi cuplate cu modelele altor procese din modelele sistemului Pământ , cum ar fi ciclul carbonului , pentru a obține feedback mai bun al modelului. Cele mai recente simulări arată un acord „plauzibil” cu anomaliile măsurate de temperatură din ultimii 150 de ani, atunci când sunt determinate de modificările observate ale gazelor cu efect de seră și aerosolilor. Acordul se îmbunătățește prin includerea forțelor naturale și antropice.

Modelele imperfecte pot produce totuși rezultate utile. GCM-urile sunt capabile să reproducă caracteristicile generale ale temperaturii globale observate în ultimul secol.

O dezbatere cu privire la modul de conciliere a previziunilor modelului climatic că încălzirea aerului superior (troposferic) ar trebui să fie mai mare decât încălzirea suprafeței observate, dintre care unele păreau să arate altfel, a fost rezolvată în favoarea modelelor, în urma revizuirilor datelor.

Efectele norilor reprezintă o zonă semnificativă de incertitudine în modelele climatice. Norii au efecte concurente asupra climei. Răcesc suprafața reflectând lumina soarelui în spațiu; îl încălzesc prin creșterea cantității de radiații infraroșii transmise din atmosferă la suprafață. În raportul IPCC din 2001, posibilele modificări ale acoperirii cu nori au fost evidențiate ca o incertitudine majoră în prezicerea climatului.

Cercetătorii climatici din întreaga lume folosesc modele climatice pentru a înțelege sistemul climatic. Mii de lucrări au fost publicate despre studii bazate pe modele. O parte din această cercetare este de a îmbunătăți modelele.

În 2000, o comparație între măsurători și zeci de simulări GCM ale precipitațiilor tropicale conduse de ENSO , vapori de apă, temperatură și radiații cu unde lungi de ieșire au găsit similaritate între măsurători și simularea majorității factorilor. Cu toate acestea, modificarea simulată a precipitațiilor a fost cu aproximativ o pătrime mai mică decât cea observată. Erorile în precipitații simulate implică erori în alte procese, cum ar fi erori în rata de evaporare care asigură umiditate pentru a crea precipitații. Cealaltă posibilitate este că măsurătorile bazate pe satelit sunt eronate. Oricare indică faptul că este necesar un progres pentru a monitoriza și prevedea astfel de modificări.

Amploarea precisă a schimbărilor climatice viitoare este încă incertă; pentru sfârșitul secolului al XXI-lea (2071 - 2100), pentru scenariul SRES A2, schimbarea modificării medii globale SAT de la AOGCMs comparativ cu 1961 până în 1990 este de +3,0 ° C (5,4 ° F) și intervalul este de +1,3 la + 4,5 ° C (+2,3 până la 8,1 ° F).

Al cincilea raport de evaluare al IPCC a afirmat „o încredere foarte mare că modelele reproduc caracteristicile generale ale creșterii anuale a temperaturii medii a suprafeței la scară globală în perioada istorică”. Cu toate acestea, raportul a observat, de asemenea, că rata încălzirii în perioada 1998-2012 a fost mai mică decât cea prevăzută de 111 din 114 modele climatice ale proiectului de intercomparare a modelelor cuplate .

Relația cu prognoza meteo

Modelele climatice globale utilizate pentru proiecțiile climatice sunt similare ca structură (și adesea împărtășesc codul computerului) cu modelele numerice pentru predicția vremii , dar sunt totuși distincte din punct de vedere logic.

Cele mai multe prognoze meteo se fac pe baza interpretării rezultatelor modelului numeric. Deoarece previziunile sunt de obicei câteva zile sau o săptămână, iar temperaturile suprafeței mării se schimbă relativ lent, astfel de modele nu conțin de obicei un model oceanic, ci se bazează pe SST impuse. De asemenea, necesită condiții inițiale precise pentru a începe prognoza - de obicei acestea sunt preluate din rezultatul unei prognoze anterioare, amestecate cu observații. Prognozele meteo sunt necesare la rezoluții temporale mai ridicate decât proiecțiile climatice, adesea la fiecare oră, comparativ cu mediile lunare sau anuale pentru climă. Cu toate acestea, deoarece prognozele meteo acoperă doar aproximativ 10 zile, modelele pot fi rulate și la rezoluții verticale și orizontale mai mari decât în ​​modul climatic. În prezent, ECMWF rulează la o rezoluție de 9 km (5,6 mi), spre deosebire de scara de 100 până la 200 km (62 până la 124 mi) utilizată de modelele climatice tipice. Adesea, modelele locale sunt rulate folosind rezultatele modelului global pentru condiții de graniță, pentru a obține o rezoluție locală mai ridicată: de exemplu, Met Office rulează un model mezoscal cu o rezoluție de 11 km (6,8 mi) care acoperă Marea Britanie și diverse agenții din SUA utilizează modele precum modelele NGM și NAM. La fel ca majoritatea modelelor globale de predicție numerică a vremii, cum ar fi GFS , modelele climatice globale sunt adesea modele spectrale în loc de modele de rețea. Modelele spectrale sunt adesea utilizate pentru modelele globale, deoarece unele calcule în modelare pot fi efectuate mai rapid, reducând astfel timpul de rulare.

Calcule

Modelele climatice utilizează metode cantitative pentru a simula interacțiunile dintre atmosferă , oceane, suprafața terestră și gheața .

Toate modelele climatice iau în considerare energia primită ca radiație electromagnetică cu undă scurtă , în special vizibilă și cu undă scurtă (aproape) în infraroșu , precum și energia de ieșire ca radiație electromagnetică cu undă lungă (îndepărtată) de pe pământ. Orice dezechilibru are ca rezultat o modificare a temperaturii .

Cele mai discutate modele din ultimii ani se referă la temperatură și la emisiile de gaze cu efect de seră . Aceste modele proiectează o tendință ascendentă a înregistrării temperaturii de suprafață , precum și o creștere mai rapidă a temperaturii la altitudini mai mari.

Trei (sau mai bine, patru, întrucât timpul este, de asemenea, considerat), dimensiunea GCM discreționează ecuațiile pentru mișcarea fluidului și transferul de energie și le integrează în timp. De asemenea, conțin parametrizări pentru procese precum convecția care au loc la scări prea mici pentru a fi rezolvate direct.

GCM-urile atmosferice (AGCM-uri) modelează atmosfera și impun temperaturile de la suprafața mării ca condiții limită. GCM-urile atmosferă-ocean cuplate (AOGCM-uri, de exemplu HadCM3 , EdGCM , GFDL CM2.X , ARPEGE-Climat) combină cele două modele.

Modelele variază în complexitate:

  • Un model simplu de transfer de căldură radiantă tratează pământul ca un singur punct și calculează în medie energia de ieșire
  • Aceasta poate fi extinsă vertical (modele radiativ-convective) sau orizontal
  • În cele din urmă, modelele climatice globale (cuplate) atmosferă - ocean - gheață de mare discreționează și rezolvă ecuațiile complete pentru transferul de masă și energie și schimbul radiant.
  • Modelele de cutii tratează fluxurile peste și în bazinele oceanice.

Alte submodele pot fi interconectate, cum ar fi utilizarea terenului , permițând cercetătorilor să prezică interacțiunea dintre climă și ecosisteme.

Comparație cu alte modele climatice

Articol principal: Model climatic

Modele de sistem terestru de complexitate intermediară (EMIC)

Articolul principal: Modelul sistemelor terestre de complexitate intermediară

Modelul Climber-3 utilizează un model statistic-dinamic de 2,5 dimensiuni cu o rezoluție de 7,5 ° × 22,5 ° și un pas de timp de 1/2 pe zi. Un submodel oceanic este MOM-3 ( Modular Ocean Model ) cu o rețea de 3,75 ° × 3,75 ° și 24 de niveluri verticale.

Modele radiative-convective (RCM)

Modele unidimensionale, radiative-convective au fost folosite pentru a verifica ipotezele climatice de bază în anii 1980 și 1990.

Modele de sistem Pământ

GCM-urile pot face parte din modelele sistemului Pământ , de exemplu prin cuplarea modelelor de strat de gheață pentru dinamica stratelor de gheață din Groenlanda și Antarctica și unul sau mai multe modele de transport chimic (CTM) pentru speciile importante pentru climă. Astfel, un model de transport al chimiei carbonului poate permite unui GCM să prezică mai bine modificările antropice ale concentrațiilor de dioxid de carbon . În plus, această abordare permite contabilizarea feedback-ului între sisteme: de exemplu, modelele chimice-climatice permit studierea efectelor schimbărilor climatice asupra găurii de ozon .

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe