Modèle climatique global

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. Le vent, le transfert de chaleur et d'autres quantités seulement sont utilisés pour calculer un résultat final de sorte qu'ils ne ont pas besoin de correspondre aux conditions du monde réel, et dans certains schémas numériques quantités fictives sont introduits.

Un modèle de circulation générale (MCG) est un modèle mathématique de la circulation générale de l'atmosphère planétaire ou l'océan et sur la base des équations de Navier-Stokes équations sur une sphère en rotation avec des termes thermodynamiques pour différentes sources d'énergie (rayonnement, chaleur latente). Ces équations sont la base de programmes informatiques complexes couramment utilisés pour la simulation de l'atmosphère ou de l'océan de la Terre . Atmosphérique et Océanique MCG (AGCM et OGCM) sont des éléments clés des modèles climatiques mondiaux ainsi que la glace de mer et de la terre de surface des composants. MCG et les modèles climatiques mondiaux sont largement utilisés pour les prévisions météorologiques , la compréhension du climat , et en projetant le changement climatique . Versions conçues pour dix ans aux applications climatiques de l'échelle de temps de siècle ont été créés par Syukuro Manabe et Kirk Bryan à la Laboratoire de géophysique de dynamique des fluides dans Princeton, New Jersey. Ces modèles numériques de calcul intensif sont basées sur l'intégration d'une variété de dynamique fluide, chimiques et biologiques équations parfois.

Histoire

En 1956, Norman Phillips a développé un modèle mathématique qui pourrait représenter de façon réaliste modèles mensuelles et saisonnières dans la troposphère, qui est devenu le premier succès modèle climatique . Après le travail de Phillips, plusieurs groupes ont commencé à travailler pour créer des modèles de circulation générale . 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 Laboratoire de géophysique de dynamique des fluides. Au début des années 1980, les Etats-Unis ' Centre national de recherche atmosphérique avait développé l'atmosphère modèle communautaire; ce modèle a été constamment perfectionné dans les années 2000. En 1986, les efforts ont commencé à initialiser et sol de modèle et types de végétation, qui ont conduit à des prévisions plus réalistes. Modèles climatiques couplés océan-atmosphère comme le Centre Hadley pour la prévision du climat et de la recherche de Modèle HadCM3 sont actuellement utilisés comme intrants pour le changement climatique études.

Atmosphérique vs modèles océan

Il ya deux MCG atmosphériques (MCGA) et océaniques (MCG de OGCMs). Un AGCM et un OGCM peuvent être couplés ensemble pour former un couplé atmosphère-océan modèle de circulation générale (MCCG ou MCGAO). Avec l'ajout d'autres composants (comme un modèle de glace de mer ou un modèle pour l'évapotranspiration sur la terre), le MCGAO devient la base pour un plein modèle climatique . Dans cette structure, différentes variantes peuvent exister, et leur réponse variant au changement climatique peuvent être étudié (par exemple, Sun et Hansen, 2003).

tendances de modélisation

Une tendance récente dans le SMGC est de les appliquer en tant que composants de modèles du système terrestre, p.ex. par couplage à modèles de feuille de glace pour la dynamique de la Groenland et Inlandsis de l'Antarctique, et un ou plusieurs modèles de transport chimique (CTMS) pour espèces importantes au climat. Ainsi, un CTM de carbone peut permettre à un GCM à mieux prévoir les changements dans dioxyde carbone concentrations résultant de changements dans émissions anthropiques. En outre, cette approche permet la comptabilisation des évaluations inter-système: par exemple, les modèles chimie-climat permettent les effets possibles du changement climatique sur la reprise du trou d'ozone à étudier.

Climat incertitudes de prédiction dépendent incertitudes dans les modèles chimiques, physiques et sociaux (voir les scénarios du GIEC ci-dessous). Des progrès ont été réalisés dans l'intégration de la chimie et de la physique plus réaliste dans les modèles, mais des incertitudes et d'inconnues demeurent importants, en particulier en ce qui concerne l'évolution future de la population humaine, l'industrie et la technologie.

Notez que de nombreux niveaux simples de modèle climatique existent; certains sont qu'un intérêt heuristique, tandis que d'autres continuent d'être scientifiquement pertinente.

Structure du modèle

Trois dimensions (plus exactement quatre dimensions) MCG discrétiser les équations pour un mouvement fluide et intégrer ces avant dans le temps. Ils contiennent également des paramétrisations pour les processus tels que la convection - - qui se produisent sur des échelles trop petites pour être résolu directement. Plus de modèles sophistiqués peuvent comprendre des représentations du carbone et d'autres cycles.

Un modèle simple général de circulation (SGCM), un GCM minimale, est constitué d'un noyau dynamique qui concerne les propriétés du matériau telles que la température des propriétés dynamiques tels que la pression et la vitesse. Les exemples sont des programmes qui résolvent le équations primitives, entrée d'énergie donnée dans le modèle, et de l'énergie dissipation sous la forme d'échelle dépendante frottement, de sorte que ondes atmosphériques avec le plus haut nombres d'onde sont les plus fortement atténués. Ces modèles peuvent être utilisés pour étudier les processus atmosphériques dans un cadre simplifié, mais ne sont pas adaptés pour les futures projections climatiques.

MCG atmosphériques (MCGA) modéliser l'atmosphère (et contiennent généralement un modèle de surface terrestre ainsi) et d'imposer les températures de surface de la mer (SST). Une grande quantité d'informations, y compris la documentation de modèle est disponible à partir de AMIP. Ils peuvent comprendre la chimie atmosphérique.

• MCGA sont constitués d'un noyau dynamique qui intègre les équations de mouvement fluide, généralement pour:
  • la pression de surface
  • composantes horizontales de la vitesse dans les couches
  • la vapeur d'eau et la température dans les couches
• Il est généralement un code de rayonnement, divisé en ondes solaire / short et terrestre / infra-rouge / longue vague
• Paramétrisations sont utilisés pour inclure les effets de divers procédés. Tous MCGA modernes comprennent paramétrages pour:
  • convection
  • processus de la surface terrestre, l'albédo et l'hydrologie
  • couverture nuageuse

Un GCM contient un certain nombre de équations pronostiques qui sont étagées vers l'avant dans le temps (typiquement vents, la température, l'humidité et la pression de surface) avec un certain nombre de équations de diagnostic qui sont évalués à partir des valeurs simultanées des variables. A titre d'exemple, la pression à ne importe quelle hauteur peut être diagnostiquée en appliquant le équation hydrostatique de la pression de surface prédite et les valeurs prédites de température entre la surface et la hauteur de l'intérêt. La pression diagnostiqué de cette manière est ensuite utilisée pour calculer la force du gradient de pression dans l'équation dépendante du temps pour les vents.

MCG océaniques (OGCMs) modèle l'océan (avec des flux de l'atmosphère imposée) et peut ou non contenir une glace de mer modèle. Par exemple, la résolution standard de HadOM3 est 1,25 degrés de latitude et de longitude, avec 20 niveaux verticaux, conduisant à environ 1,5 millions de variables.

MCG couplé océan-atmosphère (MCGAO) (par exemple, HadCM3, GFDL CM2.X) combiner les deux modèles. Ils ont donc l'avantage de supprimer la nécessité de spécifier flux à travers l'interface de la surface de l'océan. Ces modèles sont à la base pour les prédictions des modèles sophistiqués du climat futur, comme sont discutés par le GIEC.

MCGAO représentent l'apogée de complexité dans les modèles climatiques et d'internaliser autant de processus que possible. Ils sont les seuls outils qui pourraient fournir des prévisions régionales détaillées des changements climatiques futurs. Toutefois, ils sont encore en cours de développement. Les modèles les plus simples sont généralement sensibles à l'analyse simple et leurs résultats sont généralement faciles à comprendre. MCGAO, en revanche, sont souvent presque aussi difficile à analyser que le système climatique réel.

grilles de modèle

Les équations de fluides pour MCGA sont discrétisées en utilisant soit le méthode des différences finies ou méthode spectrale. Par différences finies, une grille est imposée à l'atmosphère. La grille simple utilise l'espacement angulaire constante de grille (ce est à dire, un / grille de longitude de latitude), cependant, les réseaux non-rectantangular plus sophistiqués (par exemple, icohedral) et des grilles de résolution variables sont plus souvent utilisés. Le modèle "LMDz" peut être agencé de manière à accorder une haute résolution sur toute section donnée de la planète. HadGEM1 (et d'autres modèles océaniques) utilisent une grille d'océan avec une résolution plus élevée dans les régions tropicales pour aider à résoudre les processus jugées importantes pour ENSO . Les modèles spectraux utilisent généralement un grille gaussienne, à cause des mathématiques de transformation entre l'espace spectral et point de grille. AGCM résolutions typiques se situent entre 1 et 5 degrés de latitude ou de longitude: le modèle du Hadley Centre HadCM3, par exemple, utilise 3,75 en longitude et 2,5 degrés de latitude, ce qui donne une grille de 96 par 73 points (96 x 72 pour certaines variables); et a 19 niveaux dans la verticale. Il en résulte environ 500 000 variables "de base", puisque chaque point de la grille de quatre variables ( u, v, T , Q), mais un dénombrement complet donnerait plus (nuages, les niveaux de sol). HadGEM1 utilise une grille de 1,875 degrés en longitude et en latitude 1,25 dans l'atmosphère; HiGEM, une variante à haute résolution, utilise 1,25 x 0,83 degrés respectivement. Ces résolutions sont plus faibles que ce qui est généralement utilisé pour les prévisions météorologiques. Résolutions de l'océan ont tendance à être plus élevé, par exemple HadCM3 a six points de la grille de l'océan par point de grille atmosphérique à l'horizontale.

Pour un modèle de différences finies standard, quadrillage uniformes convergent vers les pôles. Cela conduirait à des instabilités de calcul (voir Condition CFL) et donc les variables du modèle doivent être filtrés long de lignes de latitude proches des pôles. Les modèles océaniques souffrent de ce problème trop, sauf si une grille rotation est utilisé dans lequel le pôle Nord est déplacé sur une masse à proximité. Les modèles spectraux ne souffrent pas de ce problème. Il ya des expériences utilisant des grilles géodésiques et les grilles icosaédriques, qui (étant plus uniforme) ne ont pas polaires problèmes. Une autre approche pour résoudre le problème de l'espacement de grille est de déformer un cube cartésien de telle sorte qu'il recouvre la surface d'une sphère.

Flux correction

Les premières générations de MCGAO requis un processus quelque peu ad hoc de «correction du flux" de parvenir à un climat stable. Le danger, cependant, est que le modèle peut être nécessaire en raison de corrections de flux des processus de rétroaction exagérément fortes qui aboutissent à une transition vers un état de climat différent. En conséquence, il a été fort mouvement loin de l'utilisation des corrections de flux, et la grande majorité des modèles utilisés dans le cycle actuel de la Groupe d'experts intergouvernemental sur les changements climatiques ne les utilisent pas. Les améliorations de modèles qui font maintenant corrections flux inutiles sont diverses, mais comprennent l'amélioration de la physique de l'océan, une meilleure résolution dans les deux atmosphère et l'océan, et le couplage plus cohérente physiquement entre les modèles de l'atmosphère et de l'océan.

Convection

Convection humide provoque la libération de chaleur latente et est important pour le bilan énergétique de la Terre. Convection se produit sur une échelle trop petite pour être résolu par les modèles climatiques, et donc doit être paramétré. Cela a été fait depuis les premiers jours de la modélisation du climat, dans les années 1950. Akio Arakawa a fait beaucoup des premiers travaux et des variantes de son régime sont encore utilisés bien qu'il existe une variété de différents systèmes actuellement en usage . Le comportement des nuages est encore mal comprise et est paramétré. .

Les variables de sortie

La plupart des modèles incluent des logiciels pour diagnostiquer un large éventail de variables pour la comparaison avec les observations ou étude des processus atmosphériques. Un exemple est la température de 1,5 m, ce qui correspond à la hauteur standard pour les observations proches de la surface de la température de l'air. Cette température ne est pas directement prédite à partir du modèle, mais est déduite de la température de surface et la plus basse couche-modèle. Autre logiciel est utilisé pour la création de graphiques et animations.

Les projections de changement climatique futur

Montre la répartition du réchauffement à la fin du 21 ^e siècle prédite par le modèle climatique HadCM3 (un de ceux utilisés par le GIEC) si un scénario business-as-usual est supposé pour la croissance économique et les émissions de gaz à effet de serre. Le réchauffement moyen prévu par ce modèle est de 3,0 ° C.

Couplés océan-atmosphère MCG utilisent simulations climatiques transitoires de projeter / prédisent futurs changements de température selon divers scénarios. Ces scénarios peuvent être idéalisés (le plus souvent, CO ₂ augmente à 1% / an) ou plus réaliste (généralement le "IS92a" ou plus récemment la Scénarios SRES). Quels scénarios doivent être considérés comme la plus réaliste est actuellement incertain, que les projections de la future CO ₂ (et le sulfate) émissions sont eux-mêmes incertains.

Le 2001 Troisième rapport d'évaluation du GIEC Figure 9.3 montre la réponse moyenne mondiale de 19 différents modèles couplés à une expérience idéalisée dans laquelle CO ₂ est augmentée à 1% par an . Figure 9.5 montre la réponse d'un plus petit nombre de modèles plus réalistes à forcer. Pour les modèles climatiques 7 y indiquées, le changement de température de 2100 varie de 2 à 4,5 ° C avec une moyenne d'environ 3 ° C.

Scénarios futurs ne comprennent pas les événements inconnaissables - par exemple, des éruptions volcaniques ou des changements de forçage solaire. Ces effets sont considérés comme étant faible par rapport à forçage des GES dans le long terme, mais les grandes éruptions volcaniques, par exemple, sont connus pour exercer un effet temporaire de refroidissement.

Les émissions humaines de GES sont une entrée externe pour les modèles, même se il serait possible de coupler dans un modèle économique de fournir ces ainsi. Les niveaux atmosphériques de GES sont généralement fournis en entrée, mais il est possible d'inclure un modèle de cycle de carbone y compris la végétation des terres et les processus océaniques pour calculer les niveaux de GES.

Les scénarios d'émissions

Pour les six scénarios SRES de marqueurs, le GIEC (2007: 7-8) a donné une "meilleure estimation" de l'augmentation de la température moyenne mondiale (2090-2099 par rapport à la période 1980-1999) qui allait de 1,8 ° C à 4,0 ° C. Au cours de la même période, la gamme «probable» (plus de 66% de probabilité, fondée sur un jugement d'expert) pour ces scénarios était une augmentation de la température moyenne mondiale entre 1,1 et 6,4 ° C.

Pape (2008) décrit une étude où les projections des changements climatiques ont été faites en utilisant plusieurs scénarios d'émissions différentes. Dans un scénario où les émissions mondiales commencent à diminuer d'ici à 2010, pour ensuite diminuer à un rythme soutenu de 3% par an, l'augmentation probable de la température moyenne mondiale a été prévu pour être de 1,7 ° C au-dessus des niveaux pré-industriels d'ici à 2050, se élevant à environ 2 ° C d'ici à 2100. Dans une projection conçu pour simuler un avenir où aucun efforts sont faits pour réduire les émissions mondiales, la hausse probable de la température moyenne mondiale a été prédit à 5,5 ° C d'ici à 2100. Une hausse aussi élevée que 7 ° C a été cru possible mais moins probable.

Sokolov et al. (2009) a examiné un scénario conçu pour simuler un avenir où il n'y a pas de politique pour réduire les émissions. Dans leur modèle intégré, ce scénario a entraîné un réchauffement médiane sur la terre (2090-2099 par rapport à la période 1980-1999) de 5,1 ° C. Selon le scénario mêmes des émissions mais avec différentes techniques de modélisation du climat futur, le réchauffement médiane prévue était de 4,1 ° C.

Précision des modèles qui prédisent le réchauffement climatique

Les températures moyennes mondiales à partir d'observations et de deux modèles climatiques.

Erreurs SST dans HadCM3

Précipitations en Amérique du Nord à partir de différents modèles.

prédictions de température de certains modèles climatiques supposant le scénario d'émissions SRES A2.

MCGAO représentent l'apogée de complexité dans les modèles climatiques et d'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 changements observés dans l'effet de serre et d'aérosols, mais meilleur accord est obtenu lorsque forçages naturels sont également inclus.

Aucun modèle - si un modèle en soufflerie pour la conception des avions, ou un modèle climatique pour projeter le réchauffement climatique - reproduit parfaitement le système en cours de modélisation. Ces modèles intrinsèquement imparfaites peuvent néanmoins produire des résultats utiles. Dans ce contexte, MCG sont capables de reproduire les caractéristiques générales de la température moyenne mondiale observée au cours du dernier siècle.

Un débat sur la façon de concilier les prévisions des modèles climatiques que l'air (troposphérique) réchauffement supérieure devrait être supérieur au réchauffement de la surface, avec des observations dont certaines semblait démontrer le contraire semble maintenant avoir été résolue en faveur des modèles, à la suite des révisions des données: voir enregistrement de la température par satellite .

Les effets des nuages sont une zone importante d'incertitude dans les modèles climatiques. Nuages ont des effets opposés sur le climat. Un des rôles que les nuages jouent dans le climat est dans la surface de refroidissement en réfléchissant la lumière du soleil dans l'espace; un autre se réchauffe en augmentant la quantité de rayonnement infrarouge émis à partir de l'atmosphère à la surface. Dans le rapport de 2001 du GIEC sur le changement climatique, les changements possibles de la nébulosité ont été mis en évidence comme l'un des incertitudes dominantes pour prédire les changements climatiques futurs; voir aussi .

Des milliers de chercheurs sur le climat dans le monde utilisent des modèles climatiques pour comprendre le système climatique. Il ya des milliers de documents publiés sur les études basées sur des modèles dans des revues évaluées par les pairs - et une partie de cette recherche est un travail d'améliorer les modèles. Amélioration a été difficile mais constante (de toute évidence, l'état des MCGAO d'art ne est plus besoin de correction de flux), et des progrès ont parfois conduit à la découverte de nouvelles incertitudes.

En 2000, une comparaison entre les mesures et des dizaines de simulations MCG de ENSO axées sur l précipitations tropicales, la vapeur d'eau, la température et le rayonnement ondes longues sortant trouvé similitude entre les mesures et la simulation de la plupart des facteurs. Cependant, le changement dans les précipitations ont été simulé sur un quart de moins que ce qui a été observé. Erreurs dans la précipitation simulée impliquent des erreurs dans d'autres processus, tels que les erreurs dans le taux d'évaporation qui fournit l'humidité pour créer précipitations. L'autre possibilité est que les mesures par satellite sont en erreur. Soit indique des progrès sont nécessaires pour surveiller et prévoir de tels changements.

Une discussion plus complète des modèles climatiques est fourni par le TRE du GIEC chapitre 8, Modèle d'évaluation (2001).

• Le modèle signifie expositions bon accord avec les observations.
• Les différents modèles présentent souvent pire accord avec les observations.
• Beaucoup de modèles non-flux ajusté souffert de la dérive climatique réaliste jusqu'à environ 1 ° C / siècle de la température mondiale moyenne à la surface.
• Les erreurs de température modèle moyenne de l'air de surface dépassent rarement 1 ° C au cours des océans et 5 ° C sur les continents; erreurs de précipitation et de pression au niveau de la mer sont relativement plus grande, mais les grandeurs et les motifs de ces quantités reconnaissable sont similaires aux observations.
• température de l'air de surface est particulièrement bien simulée, avec presque tous les modèles correspondant étroitement l'ampleur observée de la variance et présentant une corrélation> 0,95 avec les observations.
• Variance simulée de la pression et la précipitation de niveau de la mer est de ± 25% de observée.
• Tous les modèles ont des lacunes dans leurs simulations du climat de jour présente de la stratosphère, ce qui pourrait limiter la précision des prédictions de changement climatique futur.
  • Il ya une tendance pour les modèles à montrer un biais froid moyenne globale à tous les niveaux.
  • Il ya une grande dispersion des températures tropicales.
  • Le jets de nuit polaire dans la plupart des modèles sont inclinées vers le pôle avec la hauteur, en revanche sensible à une inclinaison vers l'équateur du jet observé.
  • Il ya un degré différent de la séparation dans les modèles entre l'hiver jet subtropical et le jet de la nuit polaire.
• Pour presque tous les modèles l'erreur quadratique moyenne de la température et zonal- annuelle moyenne-air à la surface est petite comparée à sa variabilité naturelle.
  • Il ya des problèmes à simuler la variabilité saisonnière naturelle. (2000)
    • Dans les modèles de flux ajusté, les variations saisonnières sont simulées à moins de 2 K de valeurs observées sur les océans. La moyenne correspondante par rapport aux modèles non-flux ajusté affiche les erreurs jusqu'à environ 6 K dans de vastes zones océaniques.
    • Près de la surface erreurs de température du sol sont importants dans la moyenne par rapport aux modèles de flux ajusté, qui sous-estime systématiquement (d'environ 5 K) la température dans les zones de terrain élevé. La moyenne correspondante par rapport aux modèles non-flux ajusté forme un motif d'erreur similaire (avec quelque peu augmenté amplitude) sur la terre.
    • Dans l'océan Austral latitudes moyennes, les modèles non-flux ajustés surestiment l'ampleur des différences de température Janvier-moins-juillet par ~ 5 K due à une surestimation de l'été (Janvier) température près de la surface. Cette erreur est commun à cinq des huit modèles de flux non-ajusté.
    • Des zones terrestres hémisphère Nord aux latitudes moyennes, les différences entre les températures moyennes zonales juillet et en janvier simulées par les modèles non-flux ajustés montrent une plus grande diffusion (positif et négatif) sur les valeurs observées que les résultats des modèles de flux ajusté.
    • La capacité des MCG couplés pour simuler un cycle saisonnier raisonnable est une condition nécessaire pour la confiance dans leur prédiction des changements climatiques à long terme (comme le réchauffement climatique), mais ce ne est pas une condition suffisante à moins que les modifications du cycle et à long terme saisonniers impliquent processus climatiques similaires.
• Modèles climatiques couplés ne simulent pas avec précision raisonnables nuages et certains processus hydrologiques connexes (en particulier ceux concernant l'humidité de la troposphère supérieure). Problèmes dans la simulation de nuages et l'humidité de la troposphère supérieure, restent inquiétants, parce que les processus associés représentent pour la plupart de l'incertitude dans les simulations des modèles climatiques de changements anthropiques.

L'ampleur précise de futurs changements climatiques est encore incertaine ; pour la fin du 21e siècle (2071-2100), pour SRES scénario A2, la variation de la moyenne mondiale SAT changement de MCGAO rapport à 1961-1990 est 3,0 ° C (4,8 ° F) et la plage est de 1,3 à 4,5 ° C (2 à 7,2 ° F).

Prévisions du changement climatique sont inévitablement incertain. Même le degré d'incertitude est incertain, un problème qui découle du fait que ces modèles climatiques ne couvrent pas nécessairement la gamme complète du comportement du système climatique connu.

Rapport à la prévision du temps

Les modèles climatiques globaux utilisés pour les projections climatiques sont très similaires dans leur structure (et parts du code informatique avec souvent) modèles numériques de prévision météorologique mais sont néanmoins logiquement distincts.

La plupart des prévisions météorologiques se fait sur la base de l'interprétation de la sortie des résultats des modèles numériques. Depuis les prévisions sont à court généralement quelques jours ou semaines de modèles tels ne contiennent généralement pas un modèle d'océan, mais se appuyer sur SST imposées. Ils exigent également des conditions initiales précises pour commencer les prévisions, généralement ceux-ci sont pris de la sortie d'une prévision précédente, avec les observations mélangés dans Parce que les résultats sont nécessaires rapidement les prédictions doivent être exécutés en quelques heures. mais parce qu'ils ne ont besoin de couvrir une semaine de temps réel ces prédictions peuvent être exécutés à une résolution plus élevée que dans le mode climatique. Actuellement, le CEPMMT fonctionne à 40 km (25 mi) de résolution par opposition aux 100 km-à-200 (62 à 120 km)-échelle utilisée par les modèles climatiques typiques. Souvent modèles imbriqués sont marche forcée par les modèles globaux pour les conditions aux limites, pour atteindre la résolution locale plus élevée: par exemple, le Met Office utilise un modèle méso-échelle avec un 11 km (6,8 mi) de résolution couvrant le Royaume-Uni, et de divers organismes aux États-Unis également exécuter modèles emboîtés comme le NGM et des modèles de NAM. Comme la plupart des modèles de prévision numérique du temps mondiales telles que le GFS, les modèles climatiques mondiaux sont des modèles souvent spectrales à la place des modèles de grille. Les modèles spectraux sont souvent utilisés pour les modèles mondiaux parce que certains calculs de modélisation peuvent être effectuées plus rapidement réduisant ainsi le temps nécessaire pour faire fonctionner la simulation du modèle.

Calculs impliqués

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 .

Tous les modèles climatiques tiennent compte de entrant l'énergie que les 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 les plus parlé-à propos de ces dernières années ont été celles relatives à la température les émissions de dioxyde de carbone (voir gaz à effet de serre ). Ces modèles prévoient une tendance à la hausse dans la enregistrement de la température de surface, ainsi que d'une augmentation plus rapide de la température à des altitudes plus élevées.

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.

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 l'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 Loi de Stefan-Boltzmann en supposant une température constante radiatif, T, 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 moyenne de la terre 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. En utilisant la formule simple, le changement de pour cent de la quantité moyenne de chaque paramètre, considéré indépendamment, pour provoquer un changement de un degré Celsius de la température moyenne de la terre l'état d'équilibre est la suivante:

• Constante solaire 1,4%
• Albédo de 3,3%
• Émissivité effective de 1,4%

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. Cela peut être affinée dans la verticale à un modèle radiatif-convectif zéro-dimensionnel, 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.

Liens:

• "Effet de la glace-albédo Commentaires sur sensibilité globale dans un unidimensionnel radiatif-convectif modèle climatique"
• http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/258.htm

Modèles de dimension supérieure

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.

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

modélisateurs du climat

Un modélisateur de climat est une personne qui conçoit, développe, met en œuvre, les tests, maintient ou exploite les modèles climatiques. Il existe trois grands types d'institutions où un modeleur climatique peut être trouvé:

• Dans un service météorologique national. La plupart des services météorologiques nationaux ont au moins une section de la climatologie.
• Dans une université. Départements qui peuvent avoir modélisateurs du climat sur le personnel comprennent les sciences atmosphériques, la météorologie, la climatologie, ou la géographie, entre autres.
• Dans les laboratoires nationaux ou internationaux de recherche spécialisés dans ce domaine, comme 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), l'Institut Max Planck de météorologie de Hambourg, en Allemagne, ou Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL dans Paris, France ). 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.

Les modèles climatiques sur le web

• Archive Modèle opérationnel national et réseau de distribution (nomades) est un NOAA services Web basés projet fournissant à la fois en temps réel et le format accès rétrospective indépendante aux données climatiques et des modèles météorologiques.
• 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.
• http://www.hadleycentre.gov.uk/research/hadleycentre/models/modeltypes.html - Centre Hadley pour la prévision du climat et de la recherche - informations générales sur leurs modèles
• http://www.ccsm.ucar.edu/ - NCAR / UCAR Modèle du système climatique communautaire (CPLM)
• http://www.climateprediction.net - faire vous-même la prévision du climat
• http://www.giss.nasa.gov/tools/modelE/ - GCM de recherche principal développé par la NASA / GISS (Goddard Institute for Space Studies)
• http://edgcm.columbia.edu/ - le modèle original NASA / GISS climatique mondial (GCM) avec une interface conviviale pour PC et Mac
• http://www.cccma.bc.ec.gc.ca/ - CCmaC info modèle et une interface pour récupérer des données de modèle
• http://nomads.gfdl.noaa.gov/CM2.X/ - NOAA / Infos modèle climatique global et de sortie du modèle fichiers de données Fluid Dynamics Laboratory CM2 géophysiques
• http://www.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.