Modelo de circulação geral
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Terminologia
O acrônimo GCM originalmente representava o modelo de circulação geral. Recentemente, um segundo significado entrou em uso, como modelo climático global. Embora não se requerem à mesma coisa, os modelos de circulação geral são normalmente as ferramentas usadas para modelar o clima e, portanto, os dois termos às vezes são usados de forma intercambiável. No entanto, o termo "modelo climático global" é ambíguo e pode se referir a uma estrutura integrada que incorpora vários componentes, incluindo um modelo de circulação geral ou pode se referir à classe geral de modelos climáticos que usam uma variedade de meios para representar matematicamente o clima.
História
Em 1956, Norman Phillips desenvolveu um modelo matemático que poderia retratar realisticamente padrões mensais e sazonais na troposfera. Tornou -se o primeiro modelo climático de sucesso. Após o trabalho de Phillips, vários grupos começaram a trabalhar para criar GCMs. O primeiro a combinar processos oceânicos e atmosféricos foi desenvolvido no final da década de 1960 no Laboratório de Dinâmica de Fluidos Geofísicos da NOAA. No início dos anos 80, o Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica dos Estados Unidos havia desenvolvido o modelo de atmosfera comunitária; Este modelo foi refinado continuamente. Em 1996, os esforços começaram a modelar tipos de solo e vegetação. Mais tarde, o Hadley Center for Climate Prediction and Research Hadcm3 Model acoplou os elementos da atmosfera oceânica. O papel das ondas de gravidade foi adicionado em meados da década de 1980. As ondas de gravidade são necessárias para simular as circulações de escala regional e global com precisão.
Modelos atmosféricos e oceânicos
Os GCMs atmosféricos (AGCMs) e oceânicos (OGCMs) podem ser acoplados para formar um modelo de circulação geral acoplado à atmosfera-oceano (CGCM ou AOGCM). Com a adição de submodelos, como um modelo de gelo marinho ou um modelo de evapotranspiração sobre a terra, os AOGCMs se tornam a base para um modelo climático completo.
Estrutura
Os GCMs tridimensionais (mais adequadamente quadridimensionais) aplicam equações discretas para o movimento do fluido e as integram para a frente no tempo. Eles contêm parâmeterizações para processos como convecção que ocorrem em escalas pequenas demais para serem resolvidas diretamente.
Um modelo de circulação geral simples (SGCM) consiste em um núcleo dinâmico que relaciona propriedades como temperatura a outros, como pressão e velocidade. Exemplos são programas que resolvem as equações primitivas, dadas a entrada de energia e a dissipação de energia na forma de atrito dependente da escala, de modo que as ondas atmosféricas com os mais altos sumbers são mais atenuados. Tais modelos podem ser usados para estudar processos atmosféricos, mas não são adequados para projeções climáticas.
Modelo atmosférico GCMS (AGCMS) A atmosfera (e normalmente também contém um modelo de superfície da terra) usando temperaturas impostas da superfície do mar (SSTs). Eles podem incluir química atmosférica.
Os AGCMs consistem em um núcleo dinâmico que integra as equações de movimento fluido, normalmente para:
surface pressurehorizontal components of velocity in layerstemperature and water vapor in layersradiation, split into solar/short wave and terrestrial/infrared/long waveparameters for:convectionland surface processesalbedohydrologycloud coverUm GCM contém equações prognósticas que são uma função do tempo (normalmente ventos, temperatura, umidade e pressão da superfície) juntamente com equações de diagnóstico que são avaliadas a partir delas por um período de tempo específico. Como exemplo, a pressão em qualquer altura pode ser diagnosticada aplicando a equação hidrostática à pressão da superfície prevista e os valores previstos de temperatura entre a superfície e a altura do interesse. A pressão é usada para calcular a força de gradiente de pressão na equação dependente do tempo para os ventos.
OGCMS modelam o oceano (com fluxos da atmosfera imposta) e pode conter um modelo de gelo marinho. Por exemplo, a resolução padrão do HADOM3 é de 1,25 graus em latitude e longitude, com 20 níveis verticais, levando a aproximadamente 1.500.000 variáveis.
AOGCMS (por exemplo, HADCM3, GFDL CM2.X) combinam os dois submodels. Eles removem a necessidade de especificar fluxos na interface da superfície do oceano. Esses modelos são a base para previsões de modelos de clima futuro, como são discutidos pelo IPCC. AOGCMs internalizam o maior número possível de processos. Eles foram usados para fornecer previsões em escala regional. Embora os modelos mais simples sejam geralmente suscetíveis à análise e seus resultados sejam mais fáceis de entender, os AOGCMs podem ser quase tão difíceis de analisar quanto o próprio clima.
Rede
As equações de fluido para AGCMs são discretas usando o método de diferença finita ou o método espectral. Para diferenças finitas, uma grade é imposta à atmosfera. A grade mais simples usa espaçamento constante da grade angular (isto é, uma grade de latitude / longitude). No entanto, grades não retangulares (por exemplo, icosaédricas) e grades de resolução variável são mais frequentemente usadas. O modelo LMDZ pode ser organizado para fornecer alta resolução em qualquer seção do planeta. Hadgem1 (e outros modelos oceânicos) usam uma grade oceânica com maior resolução nos trópicos para ajudar a resolver processos que se acredita serem importantes para a oscilação do sul do El Niño (ENSO). Os modelos espectrais geralmente usam uma grade gaussiana, devido à matemática da transformação entre o espaço espectral e o ponto da grade. As resoluções típicas de AGCM estão entre 1 e 5 graus em latitude ou longitude: o HADCM3, por exemplo, usa 3,75 em longitude e 2,5 graus em latitude, dando uma grade de 96 por 73 pontos (96 x 72 para algumas variáveis); e tem 19 níveis verticais. Isso resulta em aproximadamente 500.000 variáveis "básicas", uma vez que cada ponto da grade possui quatro variáveis (u, v, t, q), embora uma contagem completa daria mais (nuvens; níveis do solo). Hadgem1 usa uma grade de 1,875 graus em longitude e 1,25 em latitude na atmosfera; O Higem, uma variante de alta resolução, usa 1,25 x 0,83 graus, respectivamente. Essas resoluções são menores do que normalmente é usado para previsão do tempo. As resoluções oceânicas tendem a ser mais altas, por exemplo, o HADCM3 possui 6 pontos de grade oceânica por ponto da grade atmosférica na horizontal.
Para um modelo de diferença finita padrão, linhas de grade uniformes convergem para os pólos. Isso levaria a instabilidades computacionais (consulte a condição da CFL) e as variáveis do modelo devem ser filtradas ao longo de linhas de latitude próximas aos pólos. Os modelos oceânicos também sofrem com esse problema, a menos que uma grade girada seja usada na qual o Pólo Norte seja deslocado para uma massa terrestre próxima. Os modelos espectrais não sofrem com esse problema. Algumas experiências usam grades geodésicas e grades icosaédulos, que (sendo mais uniformes) não têm problemas de pole. Outra abordagem para resolver o problema de espaçamento da grade é deformar um cubo cartesiano, de modo que ele cobre a superfície de uma esfera.
Buffer de fluxo
Algumas versões iniciais dos AOGCMs exigiram um processo ad hoc de "correção de fluxo" para obter um clima estável. Isso resultou de modelos oceânicos e atmosféricos preparados separadamente que cada um usou um fluxo implícito do outro componente diferente do componente poderia produzir. Esse modelo não conseguiu corresponder às observações. No entanto, se os fluxos fossem 'corrigidos', os fatores que levaram a esses fluxos irrealistas poderiam não ser reconhecidos, o que poderia afetar a sensibilidade do modelo. Como resultado, a grande maioria dos modelos usados na rodada atual dos relatórios do IPCC não os usa. As melhorias do modelo que agora tornam as correções de fluxo desnecessárias incluem melhoria a física do oceano, a resolução aprimorada na atmosfera e no oceano e no acoplamento mais consistente fisicamente entre a atmosfera e os submodelos oceânicos. Os modelos aprimorados agora mantêm simulações estáveis e multi-século de clima de superfície que são consideradas de qualidade suficiente para permitir seu uso para projeções climáticas.
Convecção
A convecção úmida libera calor latente e é importante para o orçamento energético da Terra. A convecção ocorre em uma escala muito pequena a ser resolvida pelos modelos climáticos e, portanto, deve ser tratada por parâmetros. Isso é feito desde a década de 1950. Akio Arakawa fez grande parte dos primeiros trabalhos, e as variantes de seu esquema ainda são usadas, embora uma variedade de esquemas diferentes esteja agora em uso. As nuvens também são normalmente tratadas com um parâmetro, por uma falta de escala semelhante. O entendimento limitado das nuvens limitou o sucesso dessa estratégia, mas não devido a algumas deficiências inerentes ao método.
Programas
A maioria dos modelos inclui software para diagnosticar uma ampla gama de variáveis para comparação com observações ou estudo de processos atmosféricos. Um exemplo é a temperatura de 2 metros, que é a altura padrão para observações próximas à superfície da temperatura do ar. Essa temperatura não é prevista diretamente do modelo, mas é deduzida das temperaturas superficiais e da camada mais baixa da model. Outro software é usado para criar parcelas e animações.
Projeções
AOGCMs acoplados usam simulações climáticas transitórias para projetar/prever mudanças climáticas em vários cenários. Estes podem ser cenários idealizados (mais comumente, as emissões de CO2 aumentando a 1%/ano) ou com base na história recente (geralmente o "IS92A" ou mais recentemente os cenários SRES). Quais cenários são mais realistas permanecem incertos.
O Terceiro Relatório de Avaliação do IPCC de 2001 9.3 mostra a resposta média global de 19 modelos acoplados diferentes a um experimento idealizado no qual as emissões aumentaram em 1% ao ano. A Figura 9.5 mostra a resposta de um número menor de modelos para tendências mais recentes. Para os 7 modelos climáticos mostrados lá, a alteração da temperatura para 2100 varia de 2 a 4,5 ° C com uma mediana de cerca de 3 ° C.
Cenários futuros não incluem eventos desconhecidos - por exemplo, erupções vulcânicas ou mudanças na força solar. Acredita -se que esses efeitos sejam pequenos em comparação com a força de gases de efeito estufa (GEE) a longo prazo, mas grandes erupções vulcânicas, por exemplo, podem exercer um efeito de resfriamento temporário substancial.
As emissões de GEE humanas são uma entrada do modelo, embora seja possível incluir um submodelo econômico/tecnológico para fornecer isso também. Os níveis atmosféricos de GEE são geralmente fornecidos como uma entrada, embora seja possível incluir um modelo de ciclo de carbono que reflita os processos vegetais e oceânicos para calcular esses níveis.
Cenários de emissões
Para os seis cenários de marcadores SRES, o IPCC (2007: 7–8) deu uma "melhor estimativa" do aumento da temperatura média global (2090-2099 em relação ao período 1980-1999) de 1,8 ° C a 4,0 ° C. No mesmo período, a faixa "provável" (maior que 66% de probabilidade, com base no julgamento de especialistas) para esses cenários foi para um aumento global da temperatura média de 1,1 a 6,4 ° C.
Em 2008, um estudo fez projeções climáticas usando vários cenários de emissão. Em um cenário em que as emissões globais começam a diminuir em 2010 e depois diminuíram a uma taxa sustentada de 3% ao ano, prevê-se que o provável aumento global da temperatura estava 1,7 ° C acima dos níveis pré-industriais até 2050, subindo para cerca de 2 ° C por 2100. Em uma projeção projetada para simular um futuro em que se prevê que nenhum esforço é feito para reduzir as emissões globais, prevê -se que o aumento provável da temperatura média global seja de 5,5 ° C em 2100. Um aumento de 7 ° C foi considerado possível , embora menos provável.
Outro cenário de não redução resultou em um aquecimento médio sobre a terra (2090–99 em relação ao período 1980–99) de 5,1 ° C. No mesmo cenário de emissões, mas com um modelo diferente, o aquecimento mediano previsto foi de 4,1 ° C.
Precisão do modelo
Os AOGCMs internalizam quantos processos são suficientemente entendidos. No entanto, eles ainda estão em desenvolvimento e incertezas significativas permanecem. Eles podem ser acoplados a modelos de outros processos em modelos de sistemas terrestres, como o ciclo de carbono, de modo a melhorar feedbacks. As simulações mais recentes mostram concordância "plausível" com as anomalias de temperatura medidas nos últimos 150 anos, quando impulsionadas por alterações observadas nos gases de efeito estufa e aerossóis. O acordo melhora incluindo forçantes naturais e antropogênicas.
Modelos imperfeitos podem, no entanto, produzir resultados úteis. Os GCMs são capazes de reproduzir as características gerais da temperatura global observada no século passado.
Um debate sobre como conciliar previsões do modelo climático de que o aquecimento do ar superior (troposférico) deve ser maior que o aquecimento da superfície observado, algumas das quais pareciam mostrar o contrário, foi resolvido em favor dos modelos, após revisões de dados.
Os efeitos das nuvens são uma área significativa de incerteza nos modelos climáticos. As nuvens têm efeitos concorrentes no clima. Eles esfriam a superfície refletindo a luz solar no espaço; Eles o aquecem aumentando a quantidade de radiação infravermelha transmitida da atmosfera para a superfície. No relatório do IPCC de 2001, as possíveis mudanças na cobertura de nuvens foram destacadas como uma grande incerteza na previsão do clima.
Pesquisadores climáticos de todo o mundo usam modelos climáticos para entender o sistema climático. Milhares de trabalhos foram publicados sobre estudos baseados em modelos. Parte desta pesquisa é melhorar os modelos.
Em 2000, uma comparação entre medições e dezenas de simulações de GCM de precipitação tropical acionada pelo ENSO, vapor de água, temperatura e radiação de ondas longas de saída encontrou semelhança entre medições e simulação da maioria dos fatores. No entanto, a mudança simulada na precipitação foi cerca de um quarto menor do que o observado. Os erros na precipitação simulada implicam erros em outros processos, como erros na taxa de evaporação que fornece umidade para criar precipitação. A outra possibilidade é que as medições baseadas em satélite estejam erradas. O indica que é necessário progresso para monitorar e prever essas alterações.
A magnitude precisa de mudanças futuras no clima ainda é incerta; Para o final do século XXI (2071 a 2100), para o cenário SRES A2, a mudança de mudança média global de SAT de AOGCMs em comparação com 1961 a 1990 é +3,0 ° C (5,4 ° F) e o intervalo é de +1,3 a + 4,5 ° C (+2,3 a 8,1 ° F).
O quinto relatório de avaliação do IPCC afirmou "muito alta confiança de que os modelos reproduzem as características gerais do aumento médio anual da temperatura da superfície anual ao longo do período histórico". No entanto, o relatório também observou que a taxa de aquecimento durante o período 1998–2012 foi menor do que a prevista por 111 dos 114 modelos de intercomparação do modelo acoplado.
Relação com a previsão do tempo
Os modelos climáticos globais usados para as projeções climáticos são semelhantes em estrutura (e geralmente compartilham o código do computador com) modelos numéricos para previsão do tempo, mas, no entanto, são logicamente distintos.
A maioria das previsões climáticas é feita com base na interpretação dos resultados do modelo numérico. Como as previsões são tipicamente alguns dias ou uma semana e as temperaturas da superfície do mar mudam relativamente lentamente, esses modelos geralmente não contêm um modelo oceânico, mas dependem de SSTs impostos. Eles também exigem condições iniciais precisas para iniciar a previsão - normalmente elas são retiradas da saída de uma previsão anterior, misturadas com observações. As previsões climáticas são necessárias em resoluções temporais mais altas do que as projeções climáticas, geralmente sub-comparadas às médias mensais ou anuais do clima. No entanto, como as previsões meteorológicas cobrem apenas cerca de 10 dias, os modelos também podem ser executados em resoluções verticais e horizontais mais altas do que o modo climático. Atualmente, o ECMWF é executado a uma resolução de 9 km (5,6 mi), em oposição à escala de 100 a 200 km (62 a 124 mi) usada pelas execuções típicas do modelo climático. Muitas vezes, os modelos locais são executados usando os resultados do modelo global para condições de contorno, para obter maior resolução local: por exemplo, o Met Office administra um modelo de mesoescala com uma resolução de 11 km (6,8 mi) que cobre o Reino Unido e várias agências nos modelos empregados pelos EUA. como os modelos NGM e NAM. Como a maioria dos modelos globais de previsão climática numérica, como o GFS, os modelos climáticos globais geralmente são modelos espectrais em vez de modelos de grade. Os modelos espectrais são frequentemente usados para modelos globais, porque alguns cálculos na modelagem podem ser realizados mais rapidamente, reduzindo assim os tempos de execução.
Cálculos
Os modelos climáticos usam métodos quantitativos para simular as interações da atmosfera, oceanos, superfície terrestre e gelo.
Todos os modelos climáticos levam em consideração a energia recebida como radiação eletromagnética de ondas curtas, principalmente infravermelho visível e de ondas curtas (próximo), além de energia eletromagnética infravermelha de onda longa (distante) da Terra. Qualquer desequilíbrio resulta em uma mudança de temperatura.
Os modelos mais comentados dos últimos anos relacionam a temperatura às emissões de gases de efeito estufa. Esses modelos projetam uma tendência ascendente no registro de temperatura da superfície, bem como um aumento mais rápido da temperatura em altitudes mais altas.
Três (ou mais corretamente, quatro, já que o tempo também é considerado) da Dimensional da GCM discretiza as equações para o movimento do fluido e a transferência de energia e as integra -as ao longo do tempo. Eles também contêm parâmetetações para processos como convecção que ocorrem em escalas pequenas demais para serem resolvidas diretamente.
Os GCMs atmosféricos (AGCMs) modelam a atmosfera e impõem temperaturas da superfície do mar como condições de contorno. GCMs de atmosfera-oceano acoplados (AOGCMs, por exemplo, HADCM3, EDGCM, GFDL CM2.X, Arpege-Climat) combinam os dois modelos.
Os modelos variam em complexidade:
A simple radiant heat transfer model treats the earth as a single point and averages outgoing energyThis can be expanded vertically (radiative-convective models), or horizontallyFinally, (coupled) atmosphere–ocean–sea ice global climate models discretise and solve the full equations for mass and energy transfer and radiant exchange.Box models treat flows across and within ocean basins.Outros submodelos podem ser interligados, como o uso da terra, permitindo que os pesquisadores prevejam a interação entre clima e ecossistemas.
Comparação com outros modelos climáticos
Modelos do sistema terrestre de complexidade intermediária (Emics)
O modelo Climber-3 usa um modelo estatístico-dinâmico 2,5-dimensional com resolução de 7,5 ° × 22,5 ° e etapa de tempo de 1/2 por dia. Um submodelo oceânico é o MOM-3 (modelo modular do oceano) com uma grade de 3,75 ° × 3,75 ° e 24 níveis verticais.
Modelos radiativos-devados (RCM)
Modelos unidimensionais e radiativos foram utilizados para verificar as suposições climáticas básicas nas décadas de 1980 e 1990.
Modelos do sistema terrestre
Os GCMs podem fazer parte dos modelos de sistemas terrestres, p. Acoplando os modelos de camadas de gelo para a dinâmica das camadas de gelo da Groenlândia e da Antártica e um ou mais modelos de transporte químico (CTMS) para espécies importantes para o clima. Assim, um modelo de transporte de química de carbono pode permitir que um GCM preveja melhor alterações antropogênicas nas concentrações de dióxido de carbono. Além disso, essa abordagem permite a contabilização do feedback entre os sistemas: por exemplo Os modelos de química-clima permitem estudar os efeitos das mudanças climáticas no orifício do ozônio.
Veja também
Global warming portal
Ecology portal
Environment portal
Energy portal