Modelo climático

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 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 . A-falado sobre o uso a maioria dos modelos climáticos nos últimos anos tem sido a de projetar mudanças de temperatura resultantes do aumento das concentrações atmosféricas de gases de efeito estufa.

Todos os modelos climáticos ter em conta a entrada de energia a partir do sol, 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 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 de

onde

• O lado esquerdo representa a energia recebida do Sol
• o lado direito representa a energia que parte da Terra, calculado a partir da Stefan-Boltzmann lei assumindo uma temperatura-modelo fictício, T, às vezes chamado de 'temperatura de equilíbrio da Terra', que pode 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 eficaz aparente 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.

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.

Modelos radiativo-convectivas

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 dimensional de um modelo radiativo-convectiva, 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.

Efeito do feedback albedo de gelo sobre a sensibilidade global em um modelo climático unidimensional radiativo-convectivo.

Modelos de maior 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.

GCMs (modelos climáticos globais ou modelos de circulação geral)

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. O primeiro modelo climático circulação geral que combinou ambos os processos oceânicos e atmosféricos foi desenvolvido na década de 1960 no NOAA Geofísico de Dinâmica de Fluidos AOGCMs laboratoriais 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 naturais forcings sozinho, mas melhor acordo é alcançado quando as mudanças observadas em gases de efeito estufa e aerossóis também estão incluídos.

Pesquisa e desenvolvimento

Existem três tipos principais de instituição onde os modelos climáticos são desenvolvidos, implementados e utilizados:

• Serviços meteorológicos nacionais. A maioria dos serviços meteorológicos nacionais têm um seção de climatologia.
• Universidades. Os departamentos relevantes incluem ciências atmosféricas, meteorologia, climatologia, e geografia.
• Laboratórios de investigação nacionais e internacionais. Exemplos incluem 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, RU), o Instituto Max Planck para Meteorologia, em Hamburgo, na Alemanha, ou o Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), França, para citar apenas alguns.

O Programa World Climate Research (WCRP), organizado pela Organização Meteorológica Mundial (OMM), coordena as atividades de pesquisa em modelagem climática em todo o mundo.

A 2012 Relatório do Conselho Nacional de Pesquisa dos EUA discutiram como os EUA modelagem climática empresa grande e diversificada poderia evoluir para se tornar mais unificada. Ganhos de eficiência possam ser adquirida através do desenvolvimento de uma infra-estrutura de software comum partilhado por todos os pesquisadores do clima dos EUA, e segurando um fórum anual de modelagem climática, o relatório foi encontrado.

Os modelos climáticos na web

• Dapper / DChart - enredo e modelo de download de dados referenciados pela Quarta Relatório de Avaliação (AR4) do Painel Intergovernamental sobre Mudança do Clima. (Não mais disponível)
• ccsm.ucar.edu - NCAR / UCAR A comunidade Modelo Sistema Climático (CCSM)
• climateprediction.net - faça você mesmo a previsão do clima
• giss.nasa.gov - o GCM pesquisa primária desenvolvida pela NASA / GISS (Instituto Goddard de Estudos Espaciais)
• edgcm.columbia.edu - o modelo original NASA / GISS climática global (GCM) com uma interface amigável para PCs e Macs
• cccma.be.ec.gc.ca - CCCma informações e interface para recuperar dados do modelo modelo
• nomads.gfdl.noaa.gov - NOAA / Informações modelo climático global e de saída do modelo arquivos de dados geofísicos Fluid Dynamics Laboratory CM2
• 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.