Modelo climático global

Os modelos climáticos são sistemas de equações diferenciais com base nas leis básicas da física , movimento do fluido, e química . Para "correr" um modelo, os cientistas dividem o planeta em uma grade 3-dimensional, aplicam-se as equações básicas, e avaliar os resultados. Modelos atmosféricos calcular ventos , transferência de calor, radiação, humidade relativa, ea superfície a hidrologia dentro de cada rede e avaliar as interações com pontos vizinhos. Os ventos, transferência de calor e outras quantidades apenas são utilizados para calcular um resultado final que eles não precisam corresponder às condições do mundo real, e em alguns esquemas numéricos quantidades fictícias são introduzidos.

Um Modelo de Circulação Geral (MCG) é um modelo matemático da circulação geral da atmosfera planetária ou oceano e com base nas equações de Navier-Stokes equações em uma esfera rotativa com termos termodinâmicos para diferentes fontes de energia (radiação, calor latente). Essas equações são a base para programas de computador complexos comumente utilizados para simular a atmosfera ou para o mar da Terra . Atmosférica e Oceanic GCMs (AGCM e OGCM) são os principais componentes de modelos climáticos globais, juntamente com os componentes do gelo marinho e da superfície da terra. GCMs e modelos climáticos globais são amplamente aplicados para previsão do tempo , a compreensão do clima , e projetando a mudança climática . Versões projetadas para década para aplicações de clima escala de tempo século foram originalmente criado por Syukuro Manabe e Kirk Bryan no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory em Princeton, New Jersey. Estes modelos numéricos de computação intensiva são baseadas na integração de uma variedade de dinâmica de fluidos, químicas e biológicas equações às vezes.

História

Em 1956, Norman Phillips desenvolveu um modelo matemático que poderia realmente descrever padrões mensais e sazonais na troposfera, que se tornou o primeiro bem sucedido modelo climático . Na sequência dos trabalhos de Phillips, vários grupos começaram a trabalhar para criar modelos de circulação geral . O primeiro modelo climático circulação geral que combinou ambos os processos oceânicos e atmosféricos foi desenvolvido na década de 1960 no NOAA Laboratório Geofísico de Dinâmica dos Fluidos. No início da década de 1980, os Estados Unidos " Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica tinham desenvolvido o modelo de Ambiente da Comunidade; este modelo tem sido continuamente refinado no 2000s. Em 1986, começou os esforços para inicializar e modelo de solo e vegetação tipos, o que levou a previsões mais realistas. Modelos climáticos acoplados oceano-atmosfera, tais como o Centro Hadley para Pesquisa e Previsão Climática do Modelo HadCM3 estão actualmente a ser utilizados como insumos para a mudança climática estudos.

Atmosférica vs modelos Oceano

Há dois GCMs atmosféricos (MCGA) e GCMs oceânicas (OGCMs). Um AGCM e um OGCM podem ser acoplados em conjunto para formar uma atmosfera-oceano acoplado modelo de circulação geral (CGCM ou AOGCM). Com a adição de outros componentes (como um modelo de gelo do mar ou um modelo para evapotranspiração sobre a terra), a AOGCM se torna a base para um completo modelo climático . Dentro desta estrutura, diferentes variações podem existir, e sua resposta variando a mudança climática pode ser estudado (por exemplo, Sun e Hansen, 2003).

Tendências de modelagem

Uma tendência recente em GCMs é aplicá-los como componentes de Modelos do Sistema Terra, por exemplo, por acoplamento de modelos de folha de gelo para a dinâmica do Groenlândia e Mantos de gelo da Antártida, e uma ou mais Modelos de transporte químico (CTMs) para espécies importantes para o clima. Assim, uma CTM carbono pode permitir que um GCM para melhor prever mudanças no dióxido de carbono concentrações resultantes de alterações na emissões antrópicas. Além disso, esta abordagem permite representando um feedback inter-sistema: por exemplo, modelos de química-clima permitir que os possíveis efeitos das mudanças climáticas sobre a recuperação do buraco de ozônio a ser estudado.

Incertezas a previsão do clima dependem incertezas em modelos químicos, físicos e sociais (ver cenários do IPCC abaixo). Registaram-se progressos na incorporação de química e física mais realista nos modelos, mas as incertezas e incógnitas permanecem significativos, principalmente em relação ao rumo futuro da população humana, indústria e tecnologia.

Note-se que muitos níveis mais simples de modelo climático existir; alguns são de interesse apenas heurística, enquanto outros continuam a ser cientificamente relevantes.

Estrutura do modelo

Tridimensional (mais propriamente quatro dimensões) GCMs discretise as equações para movimento fluido e integrá-los para a frente no tempo. Eles também contêm parametrisations para os processos - como a convecção - que ocorrem em escalas muito pequenas para ser resolvido diretamente. Modelos mais sofisticados podem incluir representações do carbono e de outros ciclos.

Um modelo simples de circulação geral (SGCM), um GCM mínima, consiste em um núcleo dinâmico que se refere propriedades do material tais como a temperatura de propriedades dinâmicas tais como a pressão e velocidade. Exemplos são programas que resolvem o equações primitivas, entrada de energia dada para o modelo, e energia dissipação na forma de escala-dependente atrito, de modo que ondas atmosféricas com maior números de onda são os mais fortemente atenuados. Tais modelos podem ser utilizados para estudar processos atmosféricos dentro de uma estrutura simplificada, mas não são adequados para as projecções climáticas futuras.

GCMs Atmosféricas (MCGA) modelar a atmosfera (e normalmente contêm um modelo de superfície da terra como bem) e impor As temperaturas da superfície do mar (TSM). Uma grande quantidade de informações, incluindo documentação do modelo está disponível a partir de AMIP. Eles podem incluir a química da atmosfera.

• MCGA consistem num núcleo dinâmico o qual integra as equações do movimento de fluido, tipicamente por:
  • pressão de superfície
  • componentes horizontais de velocidade, em camadas
  • temperatura e vapor de água em camadas
• Geralmente, há um código de radiação, dividido em ondas solares / short e terrestres / infra-vermelho / onda longa
• Parametrizações são utilizados para incluir os efeitos de vários processos. Todos os MCGA modernos incluem parametrizações para:
  • convecção
  • processos de superfície da terra, albedo e hidrologia
  • cobertura de nuvens

Um GCM contém um número de equações de prognóstico que se adiantou no tempo (tipicamente ventos, temperatura, umidade e pressão de superfície), juntamente com um número de equações de diagnóstico que são avaliados a partir dos valores das variáveis simultâneas. Como um exemplo, a pressão em qualquer altura pode ser diagnosticado através da aplicação da hidrostática equação para a pressão de superfície prevista e os valores previstos de temperatura entre a superfície e a altura de interesse. A pressão diagnosticadas deste modo, em seguida, é usado para calcular a força do gradiente de pressão na equação dependente do tempo para os ventos.

GCMs oceânicas (OGCMs) modelo do oceano (com fluxos da atmosfera imposta) e pode ou não pode conter um mar de gelo modelo. Por exemplo, a resolução da norma HadOM3 é de 1,25 graus em latitude e longitude, com 20 níveis verticais, levando a aproximadamente 1.500.000 variáveis.

GCMs acoplado oceano-atmosfera (AOGCMs) (por exemplo, HadCM3, GFDL CM2.X) combinar os dois modelos. Eles, portanto, têm a vantagem de eliminar a necessidade de especificar os fluxos através da interface da superfície do oceano. Estes modelos são a base para as previsões do modelo sofisticados de clima futuro, como são discutidas pelo IPCC.

AOGCMs representam o auge da complexidade nos modelos climáticos e internalizar tantos processos quanto possível. Eles são as únicas ferramentas que poderiam fornecer previsões regionais detalhados de futuras alterações climáticas. No entanto, eles ainda estão em desenvolvimento. Os modelos mais simples são geralmente suscetíveis a análise simples e os seus resultados são geralmente fáceis de entender. AOGCMs, pelo contrário, são muitas vezes tão difícil de analisar como o sistema climático real.

Grids modelo

As equações de fluidos para MCGA são discretizado utilizando o método de diferenças finitas ou o método espectral. Para diferenças finitas, uma grade é imposta sobre a atmosfera. A grade mais simples usa espaçamento constante angular grade (ou seja, uma grade de latitude / longitude), no entanto, as redes não-rectantangular mais sofisticadas (por exemplo, icohedral) e grades de resolução variável são mais frequentemente usados. O modelo "LMDz" pode ser disposta de modo a dar alta resolução através de qualquer dada secção do planeta. HadGEM1 (e outros modelos para o mar) usar uma grelha de oceano com maior resolução nos trópicos para ajudar a resolver os processos que se acredita ser importante para ENSO . Modelos espectrais geralmente utilizar um grade gaussian, por causa de a matemática da transformação entre o espaço espectral e grade de ponto. AGCM resoluções típicas são entre 1 e 5 graus de latitude ou longitude: o modelo do Hadley Centre HadCM3, por exemplo, usa 3.75 em longitude e 2,5 graus na latitude, dando uma grelha de 96 por 73 pontos (96 x 72 para algumas variáveis); e tem 19 níveis em relação à vertical. Isso resulta em cerca de 500.000 variáveis "básicas", uma vez que cada ponto de grade tem quatro variáveis ( U, V, T , Q), embora uma contagem completa daria mais (nuvens, níveis de solo). HadGEM1 usa uma grade de 1,875 graus em longitude e latitude em 1,25 na atmosfera; HiGEM, uma variante de alta-resolução, utiliza 1,25 x 0,83 graus respectivamente. Estas resoluções são mais baixos do que é normalmente usado para previsão do tempo. Resoluções do oceano tendem a ser maiores, por exemplo HadCM3 tem 6 pontos de grade oceano por ponto de grade atmosférica na horizontal.

Para um modelo de diferenças finitas padrão, linhas de grade uniformes convergem em direção aos pólos. Isso levaria a instabilidades computacionais (veja CFL condição) e assim as variáveis do modelo devem ser filtrados ao longo das linhas de latitude próximas aos pólos. Modelos oceânicos sofrem com este problema também, a menos que uma grade rotativa é usada em que o Pólo Norte é transferido para uma massa de terra nas proximidades. Modelos espectrais não sofrem deste problema. Há experimentos usando grades geodésicas e grades icosaédricas, que (sendo mais uniforme) não têm pólo-problemas. Outra abordagem para resolver o problema é o espaçamento da grade para deformar um cubo cartesiano de tal modo que cobre a superfície de uma esfera.

Correção Flux

Primeiras gerações de AOGCMs necessário um processo um tanto ad hoc de "correção de fluxo" para conseguir um clima estável. O perigo, no entanto, é que podem precisar de um modelo de fluxo porque as correcções de processos irrealisticamente fortes de feedback que resultam em uma transição para um estado diferente do clima. Como resultado, tem havido um forte movimento de afastamento do uso de correções de fluxo, e a grande maioria dos modelos utilizados no actual ciclo do Painel Intergovernamental sobre as Alterações Climáticas não usá-los. As melhorias do modelo que agora fazem correções de fluxo desnecessário são várias, mas incluem melhoradas física oceano, resolução melhorada em ambos os atmosfera e do oceano e acoplamento fisicamente mais consistente entre os modelos atmosfera e do oceano.

Convecção

Convecção úmida provoca a liberação de calor latente e é importante para o orçamento de energia da Terra. A convecção ocorre em uma escala pequena demais para ser resolvido por modelos climáticos, e, portanto, deve ser parametrizado. Isso tem sido feito desde os primeiros dias de modelagem climática, na década de 1950. Akio Arakawa fez muito do trabalho precoce e variantes de seu esquema ainda são usados embora haja uma variedade de diferentes regimes de agora em uso . O comportamento de nuvens ainda é pouco compreendida e é parametrizada. .

Variáveis de saída

A maioria dos modelos incluem software para diagnosticar uma vasta gama de variáveis para comparação com as observações ou estudo de processos atmosféricos. Um exemplo é a temperatura de 1,5 metros, a qual é a altura padrão para observações próximas da superfície da temperatura do ar. Esta temperatura não é directamente prevista a partir do modelo, mas deduz-se as temperaturas da superfície e de menor modelo de camada. Outro software é usado para criar gráficos e animações.

Projeções de futuras mudanças climáticas

Mostra a distribuição do aquecimento durante o final do século ²¹ o previsto pelo modelo climático HadCM3 (um dos sistemas utilizados pelo IPCC) se um cenário de manutenção do statu quo é assumido para o crescimento económico e as emissões de gases com efeito de estufa. O aquecimento médio previsto por este modelo é de 3,0 ° C.

Acoplados GCMs oceano-atmosfera usar simulações climáticas transitórios para projetar / prever futuras mudanças de temperatura em diversos cenários. Estas situações podem ser idealizadas (mais comumente, CO ₂ a aumentar a 1% / ano) ou mais realista (geralmente o "IS92a" ou, mais recentemente, a Cenários SRES). Quais os cenários devem ser considerados mais realista é actualmente incerto, como as projeções de futuro CO ₂ (e sulfato) de emissão são eles próprios incertos.

A 2001 Terceiro Relatório de Avaliação do IPCC Figura 9.3 mostra a resposta média global de 19 diferentes modelos acoplados a uma experiência idealizada na qual o _CO2 é aumentado de 1% ao ano . A Figura 9.5 mostra a resposta de um menor número de modelos para forçar mais realista. Para os modelos de clima 7 mostrados aqui, a alteração da temperatura para 2100 varia 2-4,5 ° C, com uma média de cerca de 3 ° C.

Cenários futuros não incluem eventos desconhecidas - por exemplo, erupções vulcânicas ou mudanças nas forçando solar. Estes efeitos são acreditados para ser pequeno em comparação com GEE forçando a longo prazo, mas grandes erupções vulcânicas, por exemplo, são conhecidos por exercer um efeito de arrefecimento temporário.

Emissões humanas de gases de efeito estufa são uma entrada externa para os modelos, apesar de que seria possível acoplar em um modelo econômico para fornecer estes também. Os níveis atmosféricos de GEE são geralmente fornecido como uma entrada, embora seja possível incluir um modelo de ciclo do carbono, incluindo vegetação terrestre e processos oceânicos para calcular os níveis de GEE.

Cenários de emissões

Para os seis cenários marcadores SRES, IPCC (2007: 7-8) fez uma "melhor estimativa" do aumento da temperatura média global (2090-2099 em relação ao período 1980-1999), que variou de 1,8 ° C a 4,0 ° C. Durante o mesmo período de tempo, a faixa "provável" (maior do que 66% de probabilidade, com base em pareceres de peritos) para esses cenários foi para um aumento da temperatura média global de entre 1,1 e 6,4 ° C.

Papa (2008) descreveram um estudo onde projeções de mudanças climáticas foram feitas usando vários cenários de emissões diferentes. Em um cenário em que as emissões globais começam a diminuir em 2010 e, em seguida, diminuir a um ritmo sustentado de 3% ao ano, o provável aumento da temperatura média global foi previsto para ser de 1,7 ° C acima dos níveis pré-industriais até 2050, aumentando para cerca de 2 ° C em 2100. Em uma projeção projetado para simular um futuro onde são feitos esforços para reduzir as emissões globais, o provável aumento da temperatura média global foi previsto para ser de 5,5 ° C até 2100. Um aumento tão alto quanto 7 ° C foi pensado possível mas menos provável.

Sokolov et al. (2009) analisou um cenário projetado para simular um futuro onde não existe uma política para reduzir as emissões. Em seu modelo integrado, este cenário resultou em um aquecimento médio sobre a terra (2090-2099 em relação ao período 1980-1999) de 5,1 ° C. No cenário mesmas emissões mas com diferente modelagem do clima futuro, o aquecimento médio previsto foi de 4,1 ° C.

Precisão de modelos que prevêem o aquecimento global

A média das temperaturas globais a partir de observações e dois modelos climáticos.

Erros de TSM HadCM3

Precipitação norte-americana de vários modelos.

Temperatura previsões de alguns modelos climáticos assumindo o cenário de emissões SRES A2.

AOGCMs representam o auge da complexidade nos modelos climáticos e internalizar tantos processos quanto possível. No entanto, eles ainda estão em desenvolvimento e incertezas permanecem. Eles podem ser acoplados a outros modelos de processos, tais como a ciclo do carbono, de modo a melhor modelo efeitos de feedback. A maioria das simulações recentes mostram acordo "plausível" com as anomalias de temperatura medidos ao longo dos últimos 150 anos, quando forçado por mudanças observadas em gases de efeito estufa e aerossóis, mas melhor acordo é alcançado quando forças naturais também estão incluídos.

Nenhum modelo - se um modelo de túnel de vento para projetar aviões, ou um modelo climático para projetar o aquecimento global - reproduz perfeitamente o sistema que está sendo modelado. Tais modelos inerentemente imperfeitos podem, todavia, produzir resultados úteis. Neste contexto, GCMs são capazes de reproduzir as características gerais da temperatura global observada durante o século passado.

Um debate sobre como conciliar as previsões de modelos climáticos que o ar (troposférico) aquecimento superior deve ser maior do que o aquecimento da superfície, com observações alguns dos quais pareciam mostrar o contrário agora parece ter sido resolvido em favor dos modelos, na sequência de revisões dos dados: veja recorde de temperatura por satélite .

Os efeitos das nuvens são uma área significativa de incerteza em modelos climáticos. Nuvens ter efeitos concorrentes no clima. Um dos papéis que desempenham nuvens no clima é no resfriamento da superfície refletindo a luz solar de volta ao espaço; outra está a aquecer, aumentando a quantidade de radiação infravermelha emitida a partir da atmosfera para a superfície. No relatório de 2001 do IPCC sobre as alterações climáticas, as possíveis mudanças na cobertura de nuvens foram destacados como uma das incertezas dominantes em prever futuras mudanças climáticas; Veja também .

Milhares de pesquisadores do clima em todo o mundo usam os modelos climáticos para entender o sistema climático. Existem milhares de artigos publicados sobre estudos baseados em modelos em revistas e jornais - e uma parte desta pesquisa é o trabalho melhorar os modelos. Melhoria tem sido difícil, mas constante (a maioria, obviamente, o estado da arte AOGCMs já não necessitam de correção de fluxo), e os progressos têm, por vezes, levou à descoberta de novas incertezas.

Em 2000, uma comparação entre as medições e dezenas de simulações de GCM ENSO -driven precipitação tropical, vapor de água, temperatura e radiação de onda longa encontrada semelhança entre as medidas e simulação da maioria dos fatores. No entanto, a mudança na precipitação simulada era cerca de um quarto a menos do que o que foi observado. Erros na precipitação simulado implica erros em outros processos, tais como erros na taxa de evaporação que fornece a umidade para criar a precipitação. A outra possibilidade é que as medições com base em satélites estão em erro. Ou indica o progresso é necessário a fim de controlar e prever tais mudanças.

Uma discussão mais completa de modelos de clima é fornecido pela IPCC TAR capítulo 8, Modelo de Avaliação (2001).

• O modelo significa exposições boa concordância com as observações.
• Os modelos individuais muitas vezes apresentam pior acordo com as observações.
• Muitos dos modelos não-fluxo ajustado sofriam de clima irrealista deriva até cerca de 1 ° C / século na temperatura média da superfície global.
• Os erros no modelo de média temperatura do ar na superfície raramente ultrapassam 1 ° C ao longo dos oceanos e 5 ° C ao longo dos continentes; erros de precipitação e pressão do nível do mar são relativamente maiores, mas as magnitudes e padrões de estas quantidades são reconhecidamente semelhante às observações.
• Temperatura do ar na superfície é particularmente bem simulado, com quase todos os modelos correspondentes de perto a magnitude observada de variância e exibindo uma correlação> 0,95 com as observações.
• Variância simulada de pressão ao nível do mar e precipitação está dentro de ± 25% da observada.
• Todos os modelos têm deficiências em suas simulações do clima presente dia da estratosfera, o que pode limitar a precisão das previsões de mudanças climáticas futuras.
  • Há uma tendência para que os modelos para mostrar uma polarização frio média global a todos os níveis.
  • Há uma grande dispersão nas temperaturas tropicais.
  • O jatos noite polar na maioria dos modelos estão inclinadas em direcção aos pólos com a altura, em contraste notável com uma inclinação equatorial do jato observado.
  • Existe um grau diferente de separação nos modelos entre o inverno jet sub-tropical eo jato noite polar.
• Por quase todos os modelos o erro rms em zonal- e anual médio da temperatura do ar-superfície é pequena em comparação com sua variabilidade natural.
  • Há problemas em simular a variabilidade sazonal natural. (2000)
    • Em modelos ajustados ao fluxo, as variações sazonais são simuladas para dentro de 2 K de valores observados ao longo dos oceanos. A média correspondente sobre os modelos não-ajustados ao fluxo mostra erros até cerca de 6 K em extensas áreas oceânicas.
    • Perto da superfície da terra são erros de temperatura substancial na média em relação aos modelos ajustados ao fluxo, o que subestima sistematicamente (por cerca de 5 K) a temperatura em áreas de terreno elevado. A média correspondente sobre os modelos não-ajustados ao fluxo forma um padrão de erro semelhante (com pouco aumento da amplitude) sobre a terra.
    • No Oceano Austral latitudes médias, os modelos não-ajustados ao fluxo superestimar a magnitude das diferenças de temperatura janeiro-menos-julho por ~ 5 K devido a uma superestimativa de verão (janeiro) perto da superfície temperatura. Esse erro é comum a cinco das oito modelos não-ajustados ao fluxo.
    • Em áreas de terra Hemisfério Norte de latitude média, diferenças de médias zonais entre julho e janeiro temperaturas simuladas pelos modelos não-ajustado de fluxo mostram uma maior spread (positivo e negativo) sobre valores observados do que os resultados dos modelos de fluxo ajustado.
    • A capacidade dos GCMs acoplados para simular um ciclo sazonal razoável é uma condição necessária para a confiança em sua previsão de mudanças climáticas de longo prazo (como o aquecimento global), mas não é uma condição suficiente, a menos que as de ciclo e de longo prazo envolvem mudanças sazonais processos climáticos semelhantes.
• Modelos climáticos acoplados não simulam com precisão razoável nuvens e alguns processos hidrológicos relacionados (em particular aqueles que envolvem umidade na troposfera superior). Problemas na simulação de nuvens e umidade na troposfera superior, permanecer preocupante, pois os processos associados são responsáveis por mais da incerteza em simulações de modelos climáticos da mudança antropogênica.

A magnitude precisa de mudanças futuras no clima ainda é incerto ; para o final do século 21 (2071-2100), durante SRES cenário A2, a mudança de média global de mudança SAT AOGCMs comparação com 1961-1990 é 3,0 ° C (4,8 ° F) eo intervalo é 1,3-4,5 ° C (2-7,2 ° F).

Previsão das alterações climáticas são inevitavelmente incerto. Mesmo o grau de incerteza é incerto, um problema que decorre do fato de que esses modelos climáticos não necessariamente abrange a gama completa do comportamento do sistema climático conhecido.

Relação com previsão do tempo

Os modelos climáticos globais utilizados para projeções climáticas são muito semelhantes em estrutura para (e, geralmente, têm código de computador com) modelos numéricos de previsão do tempo, mas não deixam de ser logicamente distintos.

Mais previsão do tempo é feita com base na interpretação da saída de resultados numéricos modelo. Como as previsões são de curto tipicamente alguns dias ou uma semana, tais modelos não contêm geralmente um modelo de oceano, mas dependem de SSTs impostas. Eles também exigem condições iniciais precisas para começar a previsão de-normalmente estas são tomadas a partir da saída de uma previsão anterior, com observações misturados em causa os resultados são necessários rapidamente as previsões tem de ser executado em algumas horas.; mas porque eles só precisam de cobrir uma semana de tempo real estas previsões podem ser executados com maior resolução do que no modo climáticas. Actualmente o ECMWF corre a 40 km (25 mi) resolução em oposição aos 100 km-a-200 (62-para-120 mi) escala utilizada por modelos climáticos típicos. Muitas vezes os modelos aninhados são executados forçado pelos modelos globais para condições de contorno, para alcançar um maior resolução local: por exemplo, o Met Office executa um modelo de mesoescala com uma resolução de 11 km (6,8 mi) cobrindo o Reino Unido, e várias agências em os EUA também executar modelos aninhados, como o NGM e modelos NAM. Como a maioria dos modelos de previsão de tempo numéricas globais, tais como o GFS, os modelos climáticos globais são muitas vezes modelos espectrais em vez de modelos de grade. Modelos espectrais são frequentemente utilizados para modelos globais porque alguns cálculos na modelagem pode ser realizada mais rapidamente reduzindo assim o tempo necessário para executar a simulação do modelo.

Cálculos envolvidos

Os modelos climáticos usar métodos quantitativos para simular as interações da atmosfera , oceanos , da superfície da terra, e gelo. Eles são usados para uma variedade de propósitos de estudo da dinâmica do sistema do clima com as projecções de futuro do clima .

Todos os modelos climáticos ter em conta a entrada de energia como ondas curtas radiação eletromagnética , principalmente visível e de ondas curtas (perto) infravermelho, assim como a energia de saída como de onda longa (agora) radiação electromagnética de infravermelhos a partir da terra. Qualquer desequilíbrio resulta em uma mudança na temperatura .

Os modelos mais comentados dos últimos anos têm sido as relativas à temperatura as emissões de dióxido de carbono (ver gás com efeito de estufa ). Estes modelos projetar uma tendência de aumento no registro da temperatura da superfície, bem como um aumento mais rápido na temperatura em altitudes mais elevadas.

Três (ou, mais propriamente, quatro desde tempos também é considerado) discretise dimensional do MGC as equações para o movimento de fluido e transferência de energia e integrá-los ao longo do tempo. Eles também contêm parametrisations para processos-como-convecção que ocorrem em escalas muito pequenas para ser resolvido diretamente.

GCMs Atmosféricas (MCGA) modelar a atmosfera e impor As temperaturas da superfície do mar como condições de contorno. Acoplados atmosfera-oceano GCMs (AOGCMs, por exemplo, HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) combinar os dois modelos.

Os modelos podem variar de relativamente simples para muito complexa:

• Um simples modelo de transferência de calor radiante que trata a Terra como um único ponto e as médias de energia de saída
• este pode ser expandida verticalmente (modelos radiativo-convectivos), ou horizontalmente
• finalmente, (acoplado) atmosfera-oceano- gelo marinho modelos climáticos globais discretise e resolver as equações completas de massa e energia transferência e intercâmbio radiante.

Esta não é uma lista completa; por "modelos de caixa" exemplo pode ser escrito para tratar fluxos entre e dentro das bacias oceânicas. Além disso, outros tipos de modelação podem ser interligados, tal como uso da terra, permitindo que os investigadores prever a interação entre o clima ea ecossistemas.

Modelos de caixa

Modelos de caixa são versões simplificadas de sistemas complexos, reduzindo-os a caixas (ou reservatórios) ligados por fluxos. As caixas são assumidos para serem misturados homogeneamente. Dentro de uma dada caixa, a concentração de qualquer espécies químicas, por conseguinte, é uniforme. No entanto, a abundância de espécies dentro de uma determinada caixa pode variar como uma função de tempo, devido à entrada para (ou de perda) ou a caixa, devido à produção, consumo ou deterioração desta espécie dentro da caixa.

Modelos de caixa simples, modelo de caixa ou seja, com um pequeno número de caixas cujas propriedades (por exemplo, o seu volume) não mudam com o tempo, são muitas vezes úteis para derivar fórmulas analíticas que descrevem a dinâmica e abundância de estado estacionário de uma espécie. Mais modelos de caixa de complexos são geralmente resolvidos usando técnicas numéricas.

Modelos de caixa são usados extensivamente para modelar sistemas ou ecossistemas ambientais e em estudos de circulação oceânica ea ciclo do carbono.

Zero modelos tridimensionais

Um modelo muito simples do equilíbrio radiativo da Terra é:

onde

• O lado esquerdo representa a energia recebida do Sol
• o lado direito representa a energia que parte da Terra, calculado a partir da Lei de Stefan-Boltzmann assumindo uma temperatura constante por radiação, t, que é para ser encontrada,

e

• S é a constante solar - a radiação solar por unidade de área, cerca de 1.367 W · m ^-2
• é a Terra média do albedo , medido como sendo 0,3.
• r é o raio da Terra-aproximadamente 6,371 × 10 ⁶ m
• π é a constante matemática (3,141 ...)
• é o Stefan-Boltzmann constante de aproximadamente 5,67 × 10 ^-8 J · ^{K -4} · ^{m -2} · ^{s -1}
• é o eficaz emissividade de terra, cerca de 0,612

O πr constante ² pode ser tomada para fora, dando

Resolvendo para a temperatura,

Obteve-se uma temperatura média da terra de 288 K (15 ° C ; 59 ° F). Isto é porque a equação acima represente a temperatura radiativa eficaz da Terra (incluindo as nuvens e atmosfera). O uso de emissividade eficaz e conta albedo para o efeito de estufa .

Este modelo muito simples é bastante instrutivo, eo único modelo que poderia caber em uma página. Por exemplo, é facilmente determina o efeito da temperatura média da terra de alterações na constante solar ou mudança de albedo ou eficaz emissividade terra. Usando a fórmula simples, a percentagem de alteração da quantidade média de cada parâmetro, considerados independentemente, para causar uma mudança de um grau Celsius em steady-state da temperatura média da terra é a seguinte:

• Solar constante de 1,4%
• Albedo 3,3%
• Emissividade efectiva 1,4%

A emissividade média da terra é prontamente calculado a partir de dados disponíveis. Os valores de emissividade de superfícies terrestres estão todos na gama de 0,96-0,99 (com excepção de algumas pequenas áreas desérticas, que pode ser tão baixa como 0,7). Nuvens, no entanto, que cobrem cerca de metade da superfície da terra, tem uma emissividade média de cerca de 0,5 (que deve ser reduzida pela quarta potência da relação de nuvem temperatura absoluta à terra média temperatura absoluta) e uma temperatura média de turvação de cerca de 258 K (-15 ° C, 5 ° F). Levando tudo isso devidamente em conta os resultados em uma emissividade terra eficaz de cerca de 0,64 (a temperatura média da terra 285 K (12 ° C; 53 ° F)).

Esse modelo simples prontamente determina o efeito de alterações na atividade solar ou mudança de albedo da Terra ou emissividade terra eficaz sobre a temperatura média da terra. Não diz nada, no entanto sobre o que poderia causar essas coisas para mudar. Modelos Zero-dimensional não abordam a distribuição de temperatura na Terra ou os fatores que movem energia sobre a terra.

Radiativas-Convective Models

O modelo de dimensão zero acima, utilizando a constante dada solar e a temperatura média da terra, determina a emissividade terra eficaz de radiação de comprimento de onda emitida para o espaço. Isto pode ser refinado na vertical para um modelo radiativo-convectivo de zero-dimensional, que considera dois processos de transporte de energia:

• ressurgência e subsidência de transferência radiativa através de camadas atmosféricas que ambos absorvem e emitem radiação infravermelha
• transporte para cima de calor por convecção (especialmente importante no inferior troposfera).

Os modelos radiativo-convectivos tem vantagens sobre o modelo simples: eles podem determinar os efeitos da variação de gases com efeito de estufa em concentrações emissividade eficaz e, portanto, a temperatura da superfície. Mas parâmetros adicionados são necessários para determinar a emissividade e albedo local e abordar os fatores que movem energia sobre a terra.

Links:

• "Efeito da Ice-Albedo Feedback sobre Sensibilidade global em um One-Dimensional radiativa-Convective Clima Model"
• http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/258.htm

Modelos maiores Dimensão

O modelo de dimensão zero pode ser ampliado para considerar a energia transportada horizontalmente na atmosfera. Esse tipo de modelo pode muito bem ser zonal média. Este modelo tem a vantagem de permitir uma dependência racional de albedo local e emissividade da temperatura - os pólos pode ser permitido para ser gelada e o equador quente - mas a falta de verdadeiros dinâmica significa que transporta horizontais têm de ser especificados.

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

Modeladores do clima

Um modelador do clima é uma pessoa que projeta, desenvolve, implementa, testes, mantém ou explora modelos climáticos. Existem três tipos principais de instituições onde um modelador do clima podem ser encontradas:

• Em um serviço meteorológico nacional. A maioria dos serviços meteorológicos nacionais têm pelo menos um seção de climatologia.
• Em uma universidade. Departamentos que possam ter modeladores do clima na equipe incluem ciências atmosféricas, meteorologia, climatologia, geografia ou, entre outros.
• Em laboratórios de investigação nacionais ou internacionais especializadas na matéria, tais como o Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica (NCAR, em Boulder, Colorado, EUA), o Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL, em Princeton, New Jersey, EUA), a Centro Hadley para Pesquisa e Previsão Climática (em Exeter, Reino Unido), o Instituto Max Planck para Meteorologia, em Hamburgo, na Alemanha, ou a Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL em Paris, França ). O Programa World Climate Research (WCRP), organizado pela Organização Meteorológica Mundial (OMM), coordena as atividades de pesquisa em modelagem climática em todo o mundo.

Os modelos climáticos na web

• Arquivo Modelo Operacional Nacional e Sistema de Distribuição (NOMADS) é uma NOAA web-services projeto baseado fornecendo em tempo real e formato de acesso independente retrospectiva de dados climáticos e de modelos de clima.
• Dapper / DChart - enredo e modelo de download de dados referenciados pela Quarta Relatório de Avaliação (AR4) do Painel Intergovernamental sobre Mudança do Clima.
• http://www.hadleycentre.gov.uk/research/hadleycentre/models/modeltypes.html - Centro Hadley para Pesquisa e Previsão Climática - Informação geral sobre os seus modelos
• http://www.ccsm.ucar.edu/ - NCAR / UCAR A comunidade Modelo Sistema Climático (CCSM)
• http://www.climateprediction.net - faça você mesmo a previsão do clima
• http://www.giss.nasa.gov/tools/modelE/ - o GCM pesquisa primária desenvolvida pela NASA / GISS (Instituto Goddard de Estudos Espaciais)
• http://edgcm.columbia.edu/ - o modelo original NASA / GISS climática global (GCM) com uma interface amigável para PCs e Macs
• http://www.cccma.bc.ec.gc.ca/ - CCCma informações e interface para recuperar dados do modelo modelo
• http://nomads.gfdl.noaa.gov/CM2.X/ - NOAA / Informações modelo climático global e de saída do modelo arquivos de dados geofísicos Fluid Dynamics Laboratory CM2
• http://www.climate.uvic.ca/ - Universidade de Victoria modelo climático global, livre para download. Investigador principal foi um autor contribuindo para a recente Relatório do IPCC sobre as alterações climáticas.