Model climatic

Modelele climatice sunt sisteme de ecuații diferențiale bazate pe legile fundamentale ale fizicii , dinamicii fluidelor și chimiei utilizate în simulările climatice (în imaginea modelului de rețea de exemplu)

În climatologie , modelele climatice (sau modelele climatice ) sunt modele fizico-matematice care descriu funcționarea climatului terestru la nivel global sau local prin metode cantitative bazate pe ecuații diferențiale pentru a simula interacțiunile dintre componentele fundamentale ale sistemului climatic. , inclusiv atmosfera pământului , oceanele , suprafața pământului , biosfera și criosfera . În special, modelarea climatologică este o ramură a climatologiei care a existat de la începutul anilor 60 ai secolului al XX-lea , cu modelele create (uneori utilizate împreună cu modelele oceanice ) care sunt utilizate în diverse scopuri, de la studiul dinamicii climatul trecut la proiecțiile asupra climatului viitor în contextul schimbărilor climatice ale Pământului .

Descriere

Același subiect în detaliu: Model fizic , Model matematic , Fizică atmosferică , Feedback și Teoria complexității .

Bifurcații într-o hartă logistică .

Dificultatea evidentă de a studia întregul sistem climatic complex prin reproducerea în laborator , așa cum este cazul multor alte fenomene fizice, și necesitatea de a lua în considerare toate procesele reprezentative în relații strict neliniare a condus treptat climatologii în ultimele decenii la o abordare simulată a studiului, cu utilizarea laboratoarelor virtuale sau utilizarea cuplată a supercomputerelor și a modelelor matematice pentru a obține simulări asupra climatului trecut și viitor, păstrând astfel, prin validarea modelului pe datele anterioare, un element cheie cerințele științei fizice moderne, cum ar fi reproductibilitatea galileană a observabilului fizic, precum și depășirea definitivă a abordării calitative cu cea mult mai riguroasă a tipului cantitativ, cântărind contribuțiile fiecărui factor ^[1] .

Toate modelele climatice iau în considerare atât radiația care vine de la Soare sub formă de radiație electromagnetică , în special în vizibil și în infraroșu apropiat, cât și radiația care părăsește planeta noastră sub formă de radiații infraroșii cu o lungime de undă mai mare . Echilibrul este reglementat de legile termodinamicii și dă naștere la variații de temperatură (vezi transferul radiativ ).

Supercalculatoarele sunt utilizate atât în prognoza meteo prin modele numerice de prognoză meteo, cât și în simulări climatice prin modele climatice

Iradianța solară la pragul atmosferei terestre (TOA): constanta solară este principala variabilă de intrare a modelelor cu dimensiuni zero

Transferul radiativ este încorporat în modele unidimensionale împreună cu convecția, rafinând astfel modelele cu dimensiuni zero

Convecția , precum și transferul radiativ sunt introduse în modelele zero-dimensionale pentru a rafina modelul climatic, devenind astfel unidimensional

Interacțiunea criosferă- atmosferă pentru modelarea feedback-ului gheață- albedo- gheață este inserată în modelele extrem de complexe

Circulația oceanică (stratul de suprafață) este inserată în modele ocean-atmosferă cuplate de înaltă complexitate (AOGCM)

Ciclul apei face parte din modelele climatice extrem de complexe

Cele mai evoluate modele climatice încearcă să ia în considerare toți factorii implicați în reglarea sistemului climatic sau sunt construiți pornind de la cunoașterea stării de artă a funcționării climatului, ținând cont de legile fizice (de exemplu, iradiere , dinamica geofluidelor etc.) și procesele de feedback . Aceste modele sunt, prin construcție, similare cu modelele numerice de prognozare a vremii care utilizează seturi similare de ecuații , dar diferă, de asemenea, substanțial: renunță la nivelul de detaliu spațial-temporal tipic prognozelor meteo (de exemplu, prin liniarizare ), dar se concentrează pe detaliile analiza climatică, adică temperatura medie și precipitațiile medii pentru a controla tendința pe termen mediu / lung a efectului de seră și a ciclului apei, oferind astfel numai valori medii în timp ale cantităților fizice atmosferice. Unele procese semnificative, dar prea complexe sau la scară foarte mică, sunt rezolvate prin așa-numitele parametrizări . Aceste modele, odată construite, rulează pe supercalculatoare și sunt validate pe baza datelor climatice anterioare prin întoarcerea modelului înapoi în timp și verificarea bunătății climatului simulat cu cel prezent în seria istorică .

În special, modelele diferă unele de altele pentru complexitatea structurii lor:

Modelul simplu bazat pe transferul de căldură radiantă consideră Pământul ca un singur punct cu o energie de ieșire uniformă. Acest model poate fi extins atât pe verticală (modele radiativ-convective), cât și pe orizontală.
Modelele care cuplează circulația atmosferă-ocean-criosferă-rezolvă pe deplin ecuațiile pentru transferul de energie și masă și pentru schimbul de căldură.
Modelele de cutii tratează fluxul prin și în bazinele oceanice.
Alte modele utilizează interconectări precum utilizarea terenului pentru a evalua interacțiunile dintre climă și ecosistem .

Pe planul de implementare strict, adică în aplicarea modelului, oamenii de știință împart planeta Pământ într-o grilă tridimensională și evaluează rezultatele calculului final pe aceasta: modelele atmosferice calculează vânturile , transferul de căldură , radiația solară , umiditatea relativă și hidrologia suprafeței în cadrul fiecărei rețele luând în considerare interacțiunile cu punctele învecinate.

Modele zero-dimensionale

Un model foarte simplu pentru echilibrul radiativ al Pământului este:

(1-a)S\pi r^{2}=4\pi r^{2}\epsilon \sigma T^{4}

{\ displaystyle (1-a) S \ pi r ^ {2} = 4 \ pi r ^ {2} \ epsilon \ sigma T ^ {4}}

{\ displaystyle (1-a) S \ pi r ^ {2} = 4 \ pi r ^ {2} \ epsilon \ sigma T ^ {4}}

unde este

în stânga se află energia care vine de la Soare
partea dreaptă reprezintă energia care părăsește Pământul, calculată cu legea Stefan-Boltzmann presupunând ca o temperatură fictivă T , ceea ce se numește uneori „temperatura de echilibru a Pământului” și care trebuie găsită,

Și

S este constanta solară , adică radiația solară incidentă pe unitate de suprafață, egală cu aproximativ 1367 W m ⁻²
$la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ este albedo-ul mediu al Pământului, egal cu 0,3. ^[2] ^[3]
r este raza Pământului, aproximativ 6.371 × 10 ⁶ m
π = 3,141 ...
$\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ , este constanta Stefan-Boltzmann - aproximativ 5,67 × 10 ⁻⁸ J K ⁻⁴ m ⁻² s ⁻¹
$\epsilon$ ${\ displaystyle \ epsilon}$ $\ epsilon$ este emisivitatea Pământului, egală cu aproximativ 0,612

Factorul comun πr ² poate fi eliminat dând

(1-a)S=4\epsilon \sigma T^{4}

{\ displaystyle (1-a) S = 4 \ epsilon \ sigma T ^ {4}}

{\ displaystyle (1-a) S = 4 \ epsilon \ sigma T ^ {4}}

Rezolvarea temperaturii,

T={\sqrt[{4}]{\frac {(1-a)S}{4\epsilon \sigma }}}

{\ displaystyle T = {\ sqrt [{4}] {\ frac {(1-a) S} {4 \ epsilon \ sigma}}}}

{\ displaystyle T = {\ sqrt [{4}] {\ frac {(1-a) S} {4 \ epsilon \ sigma}}}}

Aceasta produce o temperatură efectivă medie a pământului aparentă de 288 K (15 ° C; 59 ° F), ^[4] care ia în considerare și norii și atmosfera. Utilizarea emisivității și albedoului ia în considerare efectul de seră .

Acest șablon foarte simplu este foarte informativ și este, de asemenea, singurul care se poate potrivi pe o singură pagină. Poate determina cu ușurință efectul asupra temperaturii medii a Pământului a modificărilor constantei solare sau a modificărilor albedo-ului sau emisivității Pământului.

Emisivitatea terestră medie poate fi ușor estimată din datele disponibile. Emisivitățile suprafețelor terestre se încadrează în intervalul 0,96-0,99, cu excepția unor zone mici de deșert unde valoarea poate scădea la 0,7. ^[5] ^[6] Norii, pe de altă parte, care acoperă în medie jumătate din suprafața pământului, au o emisivitate medie de aproximativ 0,5 ^[7] (care trebuie redusă cu a patra putere a raportului dintre temperatura absolută a norii și temperatura medie absolută a Pământului) și o temperatură medie de aproximativ 258 K (−15 ° C; 5 ° F). ^[8] În general, se obține o emisivitate efectivă a pământului de 0,64 (cu o temperatură medie a pământului de 285 K (12 ° C; 53 ° F).

Modele radiative-convective

Modelul zero-dimensional care tocmai a fost descris, care folosește constanta solară și o temperatură medie dată a Pământului, determină emisivitatea reală a pământului a radiației cu lungime de undă lungă emisă în spațiu. Acest lucru poate fi rafinat vertical la un model radiativ-convectiv unidimensional, care ia în considerare două procese de transport de energie:

transfer radiativ în ascensiune și descendență prin straturile atmosferice care absorb și emit radiații infraroșii
transportul ascendent al căldurii prin convecție (important în special în troposfera inferioară)

Comparativ cu modelul simplificat, modelele radiativ-convective au avantajul de a putea determina efectele variației concentrației de gaze cu efect de seră asupra emisivității efective și, în consecință, a temperaturii suprafeței. Cu toate acestea, sunt necesari parametri suplimentari pentru a determina emisivitatea locală și albedo și pentru a include factorii care mută energia în jurul Pământului.

Albedo de gheață are, de asemenea, un efect asupra sensibilității globale a unui model de climat radiativ-convectiv unidimensional. ^[9] ^[10] ^[11]

Modele cu dimensiuni mai mari

Ciclul carbonului este încorporat în modele extrem de complexe

Modelul zero-dimensional poate fi extins pentru a include energia transportată orizontal în atmosferă. Se obține astfel avantajul de a permite o dependență rațională de albedo și emisivitate locală de temperatură (adică poli pot fi înghețați și ecuatorul fierbinte), dar lipsa unei dinamici adevărate implică faptul că trebuie specificat tipul de transport orizontal. ^[12]

Modele de complexitate intermediară

În funcție de natura întrebărilor formulate și de scara de timp corespunzătoare necesară, se pot avea la cele două extreme modele conceptuale mai inductive sau modele generale de circulație care funcționează la cea mai înaltă rezoluție spațială și temporală disponibilă astăzi. Modelele de complexitate intermediară servesc la reducerea decalajului dintre cele două extreme.
Un exemplu este modelul Climber-3. Atmosfera sa este un model statistic-dinamic de 2,5 dimensiuni cu o rezoluție de 7,5 ° × 22,5 ° și un pas de timp de jumătate de zi; oceanul este MOM-3 ( Modular Ocean Model ) cu o rețea de 3,75 ° × 3,75 ° și 24 de niveluri verticale. ^[13]

Modele generale de circulație (GCM) sau modele climatice globale

Același subiect în detaliu: Modelul general de circulație .

Modelele generale de circulație tratează separat ecuațiile diferențiale care reglează mișcarea fluidelor și transferul de energie ; acestea sunt apoi integrate în funcție de timp. Spre deosebire de modelele mai simple, GCM-urile împart atmosfera și / sau oceanele în rețele celulare separate care reprezintă unități de calcul. În timp ce modelele mai simple fac presupuneri mixte, procesele dintr-o celulă (cum ar fi convecția) care apar la scări prea mici pentru a fi rezolvate direct sunt parametrizate la nivelul celulei, în timp ce alte funcții guvernează interfața dintre celule.

Redați fișierul media

Afișajul arată prima redare a unui model de calcul global al „ atmosferei Pământului, bazat pe modelul Goddard Earth Observing System Data Model, versiunea 5 (GEOS-5) a NASA .

GCM-urile atmosferice ( Modelul general al circulației atmosferice sau AGCM) modelează atmosfera și impun temperatura de la suprafața mării ca condiție de limitare. GCM-urile atmosferă-ocean cuplate (AOGCM precum HadCM3, EdGCM, GFDL CM.X, ARPEGE-Climat) ^[14] combină cele două modele. Primul model general de circulație climatică care a combinat atât procesele atmosferice cât și cele oceanice a fost dezvoltat la sfârșitul anilor 1960 la Laboratorul de dinamică a fluidelor geofizice al NOAA . ^[15]

AOGCM reprezintă vârful complexității în modelele climatice și analizează cât mai multe procese posibil. Cu toate acestea, acestea sunt încă în curs de dezvoltare și încă mai există unele incertitudini. Ele pot fi cuplate la modele ale altor procese, cum ar fi ciclul carbonului , pentru a modela mai bine efectele de feedback. Aceste modele multisisteme integrate sunt uneori denumite „modele de sistem Pământ” sau „modele climatice globale”.

Modele de rețea neuronală

De asemenea, au existat modele climatice bazate pe rețele neuronale artificiale încă din anii 2000 ^[16] ^[17] .

Critici

Același subiect în detaliu: Controversa schimbărilor climatice .

Redați fișierul media

Modele climatice bazate pe circulația atmosferică globală nu au fost încă dezvoltate

Au fost avansate diverse critici care se referă în mod substanțial la estimarea parametrului numit sensibilitate climatică care nu este cunoscut a priori, dar este un parametru de reglare , așa-numitele parametrizări și presupusa imposibilitate a modelelor de a reproduce fidel întregul sistem climatic, în diferitele sale subsisteme, cu toate feedback-urile sale. Valabilitatea modelelor climatice actuale utilizate, care nu ar fi în măsură să reconstruiască în mod eficient clima trecută și nici n-ar fi putut să prezică stagnarea supraîncălzirii din ultimul deceniu, este, de asemenea, pusă la îndoială. ^[18]

Valabilitatea metodei predictive utilizate este substanțial contestată, precum și afirmația că teoriile privind încălzirea globală au origine antropologică și această teză este împărtășită de o majoritate covârșitoare a oamenilor de știință. ^[19] J. Scott Armstrong, profesor la Wharton School, Universitatea din Pennsylvania , i-a oferit lui Al Gore un pariu de 10.000 de dolari pentru caritate în 2007, că temperaturile de pe planetă nu vor crește în următorii zece ani. Pariul lui Armstrong nu a fost acceptat de Al Gore, cu toate acestea tendința de temperatură este monitorizată de site-ul Theclimatebet.com, iar rezultatele par să demonstreze că Armstrong are dreptate. ^[20]

Notă

^ Antonello Pasini, Schimbările climatice. Meteorologie și climă simulată , editor Mondadori Bruno, Milano 2003
^ PR Goode, Earthshine Observations of the Earth's Reflectance , în Geophys. Rez. Lett. , Vol. 28, nr. 9, 2001, pp. 1671–4, Bibcode : 2001GeoRL..28.1671G , DOI : 10.1029 / 2000GL012580 .
^ Oamenii de știință urmăresc partea întunecată a lunii pentru a monitoriza clima Pământului , Uniunea Geofizică Americană , 17 aprilie 2001.
^ https://web.archive.org/web/20130218204711/http://eospso.gsfc.nasa.gov/ftp_docs/lithographs/CERES_litho.pdf Arhivat 18 februarie 2013 la Internet Archive .
^ Eșantioane de apă de mare - Emisivități , pe ucsb.edu .
^ Jin M, Liang S, Un parametru îmbunătățit de emisivitate a suprafeței terestre pentru modelele de suprafață terestră utilizând observații globale de teledetecție ( PDF ), în J. Climate , vol. 19, nr. 12, 15 iunie 2006, pp. 2867–81, Bibcode : 2006JCli ... 19.2867J , DOI : 10.1175 / JCLI3720.1 .
^ TR Shippert, SA Clough, PD Brown, WL Smith, RO Knuteson și SA Ackerman, Spectral Cloud Emissivities from LBLRTM / AERI QME ( PDF ), în Proceedings of the Optth Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science Team Meeting martie 1998 Tucson, Arizona .
^ AG Gorelik, V. Sterlyadkin, E. Kadygrov și A. Koldaev, Radiometrie cu microunde și IR pentru estimarea echilibrului radiațiilor atmosferice și a formării de gheață marină ( PDF ), în lucrările ședinței echipei științifice de măsurare a radiațiilor atmosferice (ARM) martie 2001 Atlanta, Georgia .
^ Pubs. GISS: Wang și Stone 1980: Efectul feedback-ului alb-gheață asupra sensibilității globale într-un singur ... ^{[ link rupt ]} , la nasa.gov .
^ WC Wang și PH Stone, Efectul feedback-ului alb-gheață asupra sensibilității globale într-un model climatic radiativ-convectiv unidimensional ^{[ link rupt ]} , în J. Atmos. Sci., Voi. 37, 1980, pp. 545–52, Bibcode : 1980JAtS ... 37..545W , DOI : 10.1175 / 1520-0469 (1980) 037 <0545: EOIAFO> 2.0.CO; 2 . Adus la 22 aprilie 2010 .
^ Schimbări climatice 2001: baza științifică , pe grida.no (arhivat din original la 25 martie 2003) .
^ Modele de echilibru energetic , pe shodor.org .
^ emics1 , la pik-potsdam.de .
^ Copie arhivată , pe cnrm.meteo.fr . Adus la 23 februarie 2007 (arhivat din original la 27 septembrie 2007) .
^ NOAA 200th Top Tens: Progrese: Primul model climatic , la noaa.gov .
^ Clima, o enigmă a rețelei neuronale , pe punto-informatico.it .
^ Antonello Pasini - Kyoto și împrejurimi. Schimbările climatice ca o problemă globală , pe books.google.it .
^ Antonino Zichichi , clima nu este matematic
^ Interviu cu prof. Alain Elkann cu J. Scott Armstrong - Imprimarea
^ Urmăriți pariul

Bibliografie

( EN ) Ian Roulstone și John Norbury, Invizibil în furtună: rolul matematicii în înțelegerea vremii , Princeton University Press, 2013, ISBN 978-0-691-15272-1 .

Elemente conexe

linkuri externe

(IPCC 2001 secțiunea 8.3) - tratează ierarhia modelului
(IPCC 2001 secțiunea 8) - informații despre sistemele cuplate GCM
Proiect cu model de intercomparare cuplat
Cu privire la reacțiile radiative și dinamice asupra limbii reci din Pacificul ecuatorial
Calcule de bază ale radiațiilor - Descoperirea încălzirii globale
Henderson-Sellers, A.; Robinson, PJ, Climatologie contemporană , New York, Longman, 1999, ISBN 0-582-27631-4 .
Site-ul Climate Modeling 101 de către Consiliul Național de Cercetare al SUA - Acest site este un manual despre modul în care funcționează modelele climatice. Informațiile se bazează pe rapoarte consensuale ale experților din partea Consiliului Național de Cercetare al SUA pentru Științe Atmosferice și Climă. Cea mai recentă este O strategie națională pentru promovarea modelării climatice .

Portal Earth Science : te apropii de vocile Wikipedia care se ocupă cu știința pământului

[1] Antonello Pasini, Schimbările climatice. Meteorologie și climă simulată , editor Mondadori Bruno, Milano 2003

[2] PR Goode, Earthshine Observations of the Earth's Reflectance , în Geophys. Rez. Lett. , Vol. 28, nr. 9, 2001, pp. 1671–4, Bibcode : 2001GeoRL..28.1671G , DOI : 10.1029 / 2000GL012580 .

[3] Oamenii de știință urmăresc partea întunecată a lunii pentru a monitoriza clima Pământului , Uniunea Geofizică Americană , 17 aprilie 2001.

[4] ttps://web.archive.org/web/20130218204711/http://eospso.gsfc.nasa.gov/ftp_docs/lithographs/CERES_litho.pdf Arhivat 18 februarie 2013 la Internet Archive .

[5] Eșantioane de apă de mare - Emisivități , pe ucsb.edu .

[6] Jin M, Liang S, Un parametru îmbunătățit de emisivitate a suprafeței terestre pentru modelele de suprafață terestră utilizând observații globale de teledetecție ( PDF ), în J. Climate , vol. 19, nr. 12, 15 iunie 2006, pp. 2867–81, Bibcode : 2006JCli ... 19.2867J , DOI : 10.1175 / JCLI3720.1 .

[7] TR Shippert, SA Clough, PD Brown, WL Smith, RO Knuteson și SA Ackerman, Spectral Cloud Emissivities from LBLRTM / AERI QME ( PDF ), în Proceedings of the Optth Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science Team Meeting martie 1998 Tucson, Arizona .

[8] AG Gorelik, V. Sterlyadkin, E. Kadygrov și A. Koldaev, Radiometrie cu microunde și IR pentru estimarea echilibrului radiațiilor atmosferice și a formării de gheață marină ( PDF ), în lucrările ședinței echipei științifice de măsurare a radiațiilor atmosferice (ARM) martie 2001 Atlanta, Georgia .

[9] Pubs. GISS: Wang și Stone 1980: Efectul feedback-ului alb-gheață asupra sensibilității globale într-un singur ... ^{[ link rupt ]} , la nasa.gov .

[10] WC Wang și PH Stone, Efectul feedback-ului alb-gheață asupra sensibilității globale într-un model climatic radiativ-convectiv unidimensional ^{[ link rupt ]} , în J. Atmos. Sci., Voi. 37, 1980, pp. 545–52, Bibcode : 1980JAtS ... 37..545W , DOI : 10.1175 / 1520-0469 (1980) 037 <0545: EOIAFO> 2.0.CO; 2 . Adus la 22 aprilie 2010 .

[11] Schimbări climatice 2001: baza științifică , pe grida.no (arhivat din original la 25 martie 2003) .

[12] Modele de echilibru energetic , pe shodor.org .

[13] s1 , la pik-potsdam.de .

[14] Copie arhivată , pe cnrm.meteo.fr . Adus la 23 februarie 2007 (arhivat din original la 27 septembrie 2007) .

[15] NOAA 200th Top Tens: Progrese: Primul model climatic , la noaa.gov .

[16] Clima, o enigmă a rețelei neuronale , pe punto-informatico.it .

[17] Antonello Pasini - Kyoto și împrejurimi. Schimbările climatice ca o problemă globală , pe books.google.it .

[18] Antonino Zichichi , clima nu este matematic

[19] Interviu cu prof. Alain Elkann cu J. Scott Armstrong - Imprimarea

[20] Urmăriți pariul

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]