Modelo Climático

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 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 . El que más se habla uso la mayor parte de los modelos climáticos en los últimos años ha sido la de proyectar los cambios de temperatura derivados del aumento de las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero.

Todos los modelos climáticos tienen en cuenta de entrada de energía del Sol que la 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 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 de la 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 modelo ficticio, T, a veces se llama la "temperatura de equilibrio de la Tierra ', 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 efectiva aparente tierra de 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.

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 radiativo-convectivo

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 una dimensión y un modelo radiativo-convectivo, 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.

Efecto de la retroalimentación hielo-albedo de la sensibilidad global en un modelo climático radiativo-convectivo unidimensional.

Modelos de mayor dimensión

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.

MCG (modelos climáticos globales o modelos de circulación general)

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. El primer modelo climático de circulación general que combina ambos procesos oceánicos y atmosféricos se desarrolló a finales de 1960 en el NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory AOGCMs representan el pináculo de la complejidad en los modelos climáticos e interiorizar 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 durante los últimos 150 años, cuando se ven obligados por naturales forzamientos solos, pero mejor acuerdo se logra cuando también se incluyen cambios observados en gases de efecto invernadero y aerosoles.

Investigación y desarrollo

Hay tres tipos principales de la institución donde se desarrollan, implementan y utilizan modelos climáticos:

• Los servicios meteorológicos nacionales. La mayoría de los servicios meteorológicos nacionales tienen un sección de la climatología.
• Universidades. Los departamentos correspondientes incluyen ciencias de la atmósfera, la meteorología, climatología y geografía.
• Laboratorios de investigación internacionales y Nacionales. Los ejemplos incluyen 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), la Instituto Max Planck de Meteorología de Hamburgo, Alemania, o el Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), Francia, por citar sólo algunos.

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.

A 2012 Informe estadounidense National Research Council discutió cómo el amplio y diverso de EE.UU. climático modelado empresarial podría evolucionar para ser más unificado. Eficiencias podrían obtenerse mediante el desarrollo de una infraestructura de software común compartida por todos los investigadores del clima de Estados Unidos, y la celebración de un foro anual de la modelización del clima, según el informe.

Los modelos climáticos en la web

• 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. (Ya no está disponible)
• ccsm.ucar.edu - NCAR / UCAR Climático de la Comunidad del Sistema Modelo (CCSM)
• climateprediction.net - hágalo usted mismo la predicción del clima
• giss.nasa.gov - el GCM investigación primaria desarrollada por la NASA / GISS (Instituto Goddard de Estudios Espaciales)
• edgcm.columbia.edu - el modelo original de la NASA / GISS climático global (GCM) con una interfaz fácil de usar para PC y Mac
• cccma.be.ec.gc.ca - Info modelo CCCma e interfaz para recuperar los datos del modelo
• nomads.gfdl.noaa.gov - NOAA / Archivos de datos Información del modelo climático global y de salida del modelo de Dinámica de Fluidos Geofísicos Laboratorio CM2
• 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.