modèle climatique

Les modèles climatiques sont des systèmes de équations différentielles basées sur les lois fondamentales de la physique , mouvement fluide, et la chimie . Pour "run" un modèle, les scientifiques divisent la planète en une grille de 3 dimensions, se appliquent les équations de base, et d'évaluer les résultats. Les modèles atmosphériques calculer vents , transfert de chaleur, rayonnement, l'humidité relative, et la surface de l'hydrologie au sein de chaque grille et évaluer les interactions avec les points voisins.

Les modèles climatiques utilisent méthodes quantitatives pour simuler les interactions de l' atmosphère , les océans , surface de la terre, et glace. Ils sont utilisés pour une variété de fins de l'étude de la dynamique du système de climatisation à des projections de la future climat . Le sujet-parlé utiliser la plupart des modèles climatiques au cours des dernières années a été de prévoir les changements de température résultant de l'augmentation des concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre.

Tous les modèles climatiques tiennent compte de entrant l'énergie du soleil en ondes courtes rayonnement électromagnétique , principalement visible et à ondes courtes (proche) infrarouge, ainsi que l'énergie sortant de grande longueur d'onde (de loin) le rayonnement électromagnétique infrarouge à partir de la terre. Tout déséquilibre se traduit par un changement de température .

Les modèles peuvent varier de relativement simple au plus complexe:

• Un simple modèle de transfert de chaleur rayonnante qui traite la terre comme un point et moyennes seule énergie sortante
• cela peut être étendu à la verticale (modèles radiatif-convectifs), ou horizontalement
• enfin, (couplé) atmosphère-océan- glace de mer modèles climatiques mondiaux discrétiser et résoudre les équations complètes pour la masse et l'énergie rayonnante transfert et l'échange.

Ce ne est pas une liste complète; pour "modèles de boîtes" exemple peut être écrit pour traiter les flux entre et au sein des bassins océaniques. En outre, d'autres types de modélisation peuvent être reliés entre eux, tels que l'utilisation des terres, permettant aux chercheurs de prédire l'interaction entre le climat et écosystèmes.

modèles de Box

modèles de Box sont des versions simplifiées de systèmes complexes, en les réduisant à des boîtes (ou réservoirs) liés par des flux. Les boîtes sont supposés être mélangés de façon homogène. Dans une zone donnée, la concentration de tout espèces chimiques est donc uniforme. Toutefois, l'abondance d'une espèce dans une boîte donnée peut varier en fonction du temps en raison de l'entrée (ou de la perte de) la boîte ou en raison de la production, la consommation ou la désintégration de cette espèce dans la boîte.

Modèles de simple boîte, ce est à dire le modèle de boîte avec un petit nombre de boîtes dont les propriétés (par exemple leur volume) ne changent pas avec le temps, sont souvent utiles pour dériver des formules analytiques décrivant la dynamique et l'état d'équilibre l'abondance d'une espèce. Plus de modèles de boîtes complexes sont généralement résolus en utilisant des techniques numériques.

modèles de boîte sont largement utilisés pour modéliser des systèmes ou des écosystèmes environnementaux et dans les études de la circulation océanique et la cycle du carbone.

Modèles Zero-dimensionnelles

Un modèle très simple de la équilibre radiatif de la Terre est

où

• le côté gauche représente l'énergie entrante du Soleil
• le côté droit représente l'énergie sortante de la Terre, calculée à partir du La loi de Stefan-Boltzmann en supposant un modèle de température-fictive, T, parfois appelée la «température de la Terre à l'équilibre", qui doit être trouvé,

et

• S est la constante solaire - le rayonnement solaire incident par unité de surface, soit environ 1 367 W · ^{m -2}
• est la Terre moyenne de l ' albédo , mesurée à 0,3.
• r est le rayon de la Terre-environ 6,371 × 10 ⁶ m
• π est la constante mathématique (3.141 ...)
• est le Stefan-Boltzmann-environ 5,67 × 10 ^{-8 -4} J · ^K · ^{m -2} · ^{s -1}
• est l'efficacité émissivité de la terre, environ 0,612

Le πr constante ² peut être pris en compte, donnant

La résolution de la température,

Cela donne une température effective moyenne de la terre apparente de 288 K (15 ° C ; 59 ° F). Ce est parce que l'équation ci-dessus représente la température de rayonnement efficace de la terre (y compris les nuages et atmosphère). L'utilisation de l'émissivité efficace et compte albédo pour le effet de serre .

Ce modèle très simple est très instructif, et le seul modèle qui pourrait tenir sur une page. Par exemple, on détermine facilement l'effet de la température de masse moyenne des variations de constante ou de changement de l'émissivité de la terre ou albédo solaire efficace.

L'émissivité moyenne de la terre est facilement estimée à partir des données disponibles. Les émissivités des surfaces terrestres sont tous dans la gamme de 0,96 à 0,99 (sauf pour quelques petites zones désertiques qui peuvent être aussi bas que 0,7). Nuages, cependant, qui couvrent environ la moitié de la surface de la terre, ont une émissivité moyenne d'environ 0,5 (qui doit être réduite par la quatrième puissance du rapport du cloud température absolue à la terre moyenne température absolue) et une température de nuage moyenne d'environ 258 K (-15 ° C; 5 ° F). Prenant tout cela correctement en compte les résultats dans une émissivité de la terre effective d'environ 0,64 (température moyenne de la terre 285 K (12 ° C; 53 ° F)).

Ce modèle simple détermine facilement l'effet des variations de la production ou de changement de l'albédo de la terre ou l'émissivité de la terre effective de la température moyenne de la terre solaire. Il ne dit rien, mais sur ce qui pourrait causer ces choses changent. Modèles de dimension zéro ne abordent pas la répartition de la température sur la terre ou les facteurs qui se déplacent l'énergie autour de la terre.

Modèles radiatif-convectif

Le modèle zéro-dimensionnel ci-dessus, en utilisant la constante solaire et la température moyenne de la terre donnée, détermine l'émissivité de la terre efficace de radiation à ondes longues émis vers l'espace. Ce peut être affinée dans le sens vertical à une dimension un modèle radiatif-convectif, qui considère deux processus de transport de l'énergie:

• transfert de remontée et downwelling radiatif à travers les couches atmosphériques qui absorbent et émettent un rayonnement infrarouge
• le transport vers le haut de la chaleur par convection (particulièrement important dans la partie inférieure troposphère).

Les modèles de rayonnement-convection ont des avantages sur le modèle simple: ils permettent de déterminer les effets de la variation de gaz à effet de concentrations de l'émissivité effective et donc la température de surface. Mais paramètres ajoutés sont nécessaires pour déterminer l'émissivité locale et l'albédo et aborder les facteurs qui se déplacent l'énergie autour de la terre.

Effet de rétroaction glace-albédo sur la sensibilité globale dans un modèle climatique radiatif-convectif unidimensionnel.

Modèles haut de dimension

Le modèle zéro-dimensionnel peut être élargi pour tenir compte de l'énergie transportée horizontalement dans l'atmosphère. Ce type de modèle peut bien être zonale moyenne. Ce modèle a l'avantage de permettre une dépendance rationnelle de l'albédo local et émissivité de la température - les pôles peuvent être autorisé à être glacée et l'équateur chaude - mais le manque de dynamique true signifie que les transports horizontaux doivent être spécifiées.

MCG (modèles climatiques mondiaux ou modèles de circulation générale)

Trois (ou plus correctement, quatre depuis des temps est également considéré comme) la discrétiser de dimensions GCM les équations pour un mouvement fluide et le transfert d'énergie et d'intégrer ces cours du temps. Ils contiennent également des paramétrisations pour les processus-tels que la convection qui se produisent sur des échelles trop petites pour être résolus directement.

MCG atmosphériques (MCGA) modéliser l'atmosphère et d'imposer températures que les conditions aux limites de surface de la mer. Couplés MCG atmosphère-océan (MCGAO, par exemple HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) combiner les deux modèles. Le premier modèle climatique de circulation générale qui combine deux processus océaniques et atmosphériques a été développé à la fin des années 1960 à la NOAA Fluid Dynamics MCGAO de laboratoire géophysiques représentent le summum de la complexité dans les modèles climatiques et internaliser autant de processus que possible. Toutefois, ils sont encore en développement et des incertitudes demeurent. Ils peuvent être couplés à d'autres modèles de processus, tels que la cycle du carbone, de manière à améliorer la modélisation des effets de rétroaction.

La plupart des simulations récentes montrent accord «plausible» avec les anomalies de température mesurées au cours des 150 dernières années quand ils sont forcés par des catastrophes naturelles forçages seul, mais meilleur accord est obtenu lorsque des changements observés dans l'effet de serre et les aérosols sont également inclus.

Recherche et développement

Il existe trois grands types d'institutions où les modèles climatiques sont développés, implémentés et utilisés:

• Les services météorologiques nationaux. La plupart des services météorologiques nationaux ont un section de la climatologie.
• Universités. Les départements concernés sont les sciences atmosphériques, la météorologie, la climatologie et la géographie.
• Laboratoires de recherche nationaux et internationaux. Des exemples comprennent le Centre national pour la recherche atmosphérique (NCAR, en Boulder, Colorado, USA), le Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL, dans Princeton, New Jersey, USA), le Centre Hadley pour la prévision du climat et de la recherche (en Exeter, Royaume-Uni), le Institut Max Planck de météorologie de Hambourg, en Allemagne, ou le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), en France, pour ne en nommer que quelques-uns.

Le Programme mondial de recherche sur le climat (PMRC de), hébergé par le Organisation météorologique mondiale (OMM), coordonne les activités de recherche sur la modélisation du climat dans le monde entier.

A 2012 Rapport US National Research Council a expliqué comment l'entreprise de modélisation climatique américaine vaste et diversifié pourrait évoluer pour devenir plus unifiée. Gains pourraient être réalisés en développant une infrastructure logicielle commune partagée par tous les chercheurs sur le climat aux États-Unis, et la tenue d'un forum annuel de la modélisation du climat, le rapport révèle.

Les modèles climatiques sur le web

• Dapper / DChart - données de placettes et de modèle de téléchargement référencés par le quatrième rapport d'évaluation (RE4) du Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques. (Plus disponible)
• ccsm.ucar.edu - NCAR / UCAR Modèle du système climatique communautaire (CPLM)
• climateprediction.net - faire vous-même la prévision du climat
• giss.nasa.gov - GCM de recherche principal développé par la NASA / GISS (Goddard Institute for Space Studies)
• edgcm.columbia.edu - le modèle original NASA / GISS climatique mondial (GCM) avec une interface conviviale pour PC et Mac
• cccma.be.ec.gc.ca - CCmaC info modèle et une interface pour récupérer des données de modèle
• nomads.gfdl.noaa.gov - NOAA / Infos modèle climatique global et de sortie du modèle fichiers de données Fluid Dynamics Laboratory CM2 géophysiques
• climate.uvic.ca - Université de Victoria modèle climatique mondial, à télécharger gratuitement. Chercheur de pointe était un auteur de contribuer à la récente Rapport du GIEC sur le changement climatique.