Войти
Климатические модели - это системы дифференциальных уравнений, основанные на основных законах физики, движения жидкости и химии. Чтобы «запустить» модель, ученые делят планету на трехмерную сетку, применяют основные уравнения и оценивают результаты. Атмосферные модели рассчитывают ветер, теплопередачу, излучение, относительную влажность и поверхностную гидрологию в каждой сетке и оценить взаимодействия с соседними точками. 
Воспроизвести мультимедиа На этой визуализации показаны ранние тестовые визуализации глобальной вычислительной модели атмосферы Земли, основанной на данных из модели системы наблюдения Земли Годдарда, версия 5 (GEOS-5) НАСА. A модель общей циркуляции (GCM ) является разновидностью климатической модели. В нем используется математическая модель общей циркуляции планетарной атмосферы или океана. Он использует уравнения Навье – Стокса на вращающейся сфере с термодинамическими членами для различных источников энергии (излучение, скрытая теплота ). Эти уравнения являются основой компьютерных программ, используемых для моделирования атмосферы или океанов Земли. ГЦМ атмосферы и океана (AGCM и OGCM ) являются ключевыми компонентами наряду с компонентами морского льда и поверхности суши.
Глобальные модели климата и глобальные климатические модели используются для прогнозирования погоды, понимания климата и прогнозирования изменения климата.
Версии, рассчитанные на период от десятилетия до столетия. масштабные климатические приложения были первоначально созданы Сюкуро Манабе и Кирком Брайаном в Лаборатории геофизической гидродинамики (GFDL) в Принстоне, Нью-Джерси. Эти модели основаны на интеграции множества уравнений динамики жидкости, химии, а иногда и биологии.
Аббревиатура GCM первоначально расшифровывалась как General Circulation Model. Недавно вошло второе значение, а именно «Глобальная климатическая модель». Хотя они не относятся к одному и тому же, модели общей циркуляции обычно являются инструментами, используемыми для моделирования климата, и, следовательно, эти два термина иногда используются как взаимозаменяемые. Однако термин «глобальная климатическая модель» неоднозначен и может относиться к интегрированной структуре, которая включает несколько компонентов, включая модель общей циркуляции, или может относиться к общему классу климатических моделей, которые используют различные средства. математически представить климат.
В 1956 году Норман Филлипс разработал математическую модель, которая могла реалистично отображать месячные и сезонные закономерности в тропосфере. Это первая удачная климатическая модель . После работы Филлипса несколько групп начали работать над созданием GCM. Первый, сочетающий в себе океанические и атмосферные процессы, был разработан в конце 1960-х годов в NOAA Лаборатории геофизической гидродинамики. К началу 1980-х годов Национальный центр атмосферных исследований США разработал модель атмосферы сообщества; эта модель постоянно совершенствовалась. В 1996 году начались работы по моделированию типов почвы и растительности. Позже модель HadCM3 Центра прогнозирования климата и исследований Хэдли объединила элементы океана и атмосферы. Роль гравитационных волн была добавлена в середине 1980-х годов. Гравитационные волны необходимы для точного моделирования циркуляции в региональном и глобальном масштабе.
ГЦМ атмосферы (AGCM) и океана (OGCM) могут быть объединены, чтобы сформировать общее, связанное с атмосферой и океаном. модель циркуляции (CGCM или AOGCM). С добавлением подмоделей, таких как модель морского льда или модель для эвапотранспирации над сушей, МОЦАО становятся основой для полной климатической модели.
Три- размерные (точнее четырехмерные) МОК применяют дискретные уравнения для движения жидкости и интегрируют их вперед во времени. Они содержат параметризации для таких процессов, как конвекция, которые происходят в слишком малых масштабах, чтобы их можно было разрешить напрямую.
Простая модель общей циркуляции (SGCM) состоит из динамического ядра, которое связывает такие свойства, как температура, с другими, такими как давление и скорость. Примерами являются программы, которые решают примитивные уравнения с учетом подводимой энергии и энергии диссипации в форме зависящего от масштаба трения, так что атмосферные волны с наивысшими волновыми числами наиболее ослаблены. Такие модели могут использоваться для изучения атмосферных процессов, но не подходят для климатических прогнозов.
Атмосферные ГЦМ (AGCM) моделируют атмосферу (и обычно также содержат модель поверхности суши) с использованием наложенных температур поверхности моря (SST). Они могут включать химию атмосферы.
AGCM состоят из динамического ядра, которое объединяет уравнения движения жидкости, обычно для:
GCM содержит прогностические уравнения, которые являются функцией времени (обычно ветра, температуры, влажности и приземного давления) вместе с диагностическими уравнениями, которые вычисляются на их основе за определенный период времени. Например, давление на любой высоте может быть диагностировано путем применения уравнения гидростатики к прогнозируемому поверхностному давлению и прогнозируемым значениям температуры между поверхностью и интересующей высотой. Давление используется для вычисления силы градиента давления в уравнении для ветра, зависящем от времени.
OGCM моделируют океан (с наложенными потоками из атмосферы) и могут содержать модель морского льда. Например, стандартное разрешение HadOM3 составляет 1,25 градуса по широте и долготе, с 20 вертикальными уровнями, что дает примерно 1 500 000 переменных.
AOGCM (например, HadCM3, GFDL CM2.X ) объединяют две подмодели. Они устраняют необходимость указывать потоки через границу поверхности океана. Эти модели являются основой для модельных прогнозов будущего климата, например, обсуждаемых IPCC. МОЦАО усваивают как можно больше процессов. Они использовались для прогнозирования в региональном масштабе. Хотя более простые модели обычно поддаются анализу, а их результаты легче понять, МОЦАО может быть почти так же сложно анализировать, как и сам климат.
Уравнения жидкости для AGCM делаются дискретными с использованием либо метода конечных разностей, либо спектрального метода. Для конечных разностей на атмосферу накладывается сетка. В простейшей сетке используется постоянный угловой интервал сетки (то есть сетка широты / долготы). Однако чаще используются непрямоугольные сетки (например, икосаэдрические) и сетки с переменным разрешением. Модель LMDz может быть устроена так, чтобы давать высокое разрешение по любому заданному участку планеты. HadGEM1 (и другие модели океана) используют сетку океана с более высоким разрешением в тропиках, чтобы помочь разрешить процессы, которые считаются важными для Южного колебания Эль-Ниньо (ENSO). Спектральные модели обычно используют гауссову сетку из-за математики преобразования между спектральным пространством и пространством точек сетки. Типичное разрешение AGCM составляет от 1 до 5 градусов по широте или долготе: HadCM3, например, использует 3,75 градуса по долготе и 2,5 градуса по широте, давая сетку 96 на 73 точки (96 x 72 для некоторых переменных); и имеет 19 вертикальных уровней. В результате получается примерно 500 000 «основных» переменных, поскольку каждая точка сетки имеет четыре переменных (u, v, T, Q ), хотя полный подсчет даст больше (облака; уровни почвы). HadGEM1 использует сетку с координатами 1,875 градуса по долготе и 1,25 градуса по широте в атмосфере; HiGEM, вариант с высоким разрешением, использует 1,25 x 0,83 градуса соответственно. Это разрешение ниже, чем обычно используется для прогнозирования погоды. Разрешение океана обычно выше, например, HadCM3 имеет 6 точек сетки океана на каждую точку сетки атмосферы по горизонтали.
Для стандартной конечно-разностной модели равномерные линии сетки сходятся к полюсам. Это привело бы к вычислительной нестабильности (см. условие CFL ), и поэтому переменные модели должны быть отфильтрованы по линиям широты, близким к полюсам. Модели океана также страдают от этой проблемы, если только не используется вращающаяся сетка, в которой Северный полюс смещен на близлежащий участок суши. Спектральные модели не страдают этой проблемой. В некоторых экспериментах используются геодезические сетки и икосаэдрические сетки, которые (будучи более однородными) не имеют проблем с полюсами. Другой подход к решению проблемы шага сетки - это деформировать декартово куб таким образом, чтобы он покрыл поверхность сферы.
Некоторые ранние версии МОЦАО требовали специального процесса "" для достижения стабильного климата. Это стало результатом отдельно подготовленных моделей океана и атмосферы, каждая из которых использовала неявный поток от другого компонента, отличный от того, который этот компонент мог бы произвести. Такая модель не соответствовала наблюдениям. Однако, если потоки будут «скорректированы», факторы, которые привели к этим нереалистичным потокам, могут остаться нераспознанными, что может повлиять на чувствительность модели. В результате подавляющее большинство моделей, используемых в текущем раунде отчетов МГЭИК, их не используют. Улучшения модели, которые теперь делают ненужными поправки на потоки, включают улучшенную физику океана, улучшенное разрешение как в атмосфере, так и в океане, а также более физически согласованную связь между подмоделями атмосферы и океана. Улучшенные модели теперь поддерживают стабильные, многовековые модели приземного климата, которые считаются достаточно качественными, чтобы их можно было использовать для климатических прогнозов.
Влажная конвекция выделяет скрытое тепло и очень важно к энергетическому бюджету Земли. Конвекция возникает в слишком маленьком масштабе, чтобы ее можно было разрешить с помощью климатических моделей, и поэтому ее необходимо обрабатывать с помощью параметров. Это делалось с 1950-х годов. Акио Аракава проделал большую часть ранних работ, и варианты его схемы все еще используются, хотя сейчас используется множество различных схем. Облака также обычно обрабатываются параметром из-за аналогичного отсутствия масштаба. Ограниченное понимание облаков ограничило успех этой стратегии, но не из-за присущих этому методу недостатков.
Большинство моделей включают программное обеспечение для диагностики широкого диапазона переменных для сравнения с наблюдения или изучение атмосферных процессов. Примером может служить 2-метровая температура, которая является стандартной высотой для приповерхностных наблюдений за температурой воздуха. Эта температура не предсказывается напрямую из модели, а определяется из температуры поверхности и самого низкого уровня модельного слоя. Другое программное обеспечение используется для создания сюжетов и анимации.
Воспроизвести мультимедиа Прогнозируемая среднегодовая температура приземного воздуха с 1970 по 2100 годы на основе SRES сценария выбросов A1B с использованием климатической модели NOAA GFDL CM2.1 (кредит : NOAA Лаборатория геофизической гидродинамики ).Сопряженные МОЦАО используют моделирование переходного климата для проектирования / прогнозирования изменений климата при различных сценариях. Это могут быть идеализированные сценарии (чаще всего CO 2 выбросы увеличиваются на 1% в год) или на основании недавней истории (обычно сценарии «IS92a» или более поздние сценарии SRES ). Какие сценарии наиболее реалистичны, остается неясным.
Третий доклад об оценке МГЭИК за 2001 год F На рисунке 9.3 показан глобальный средний отклик 19 различных связанных моделей на идеализированный эксперимент, в котором выбросы увеличивались на 1% в год. Рисунок 9.5 показывает реакцию меньшего числа моделей на более свежие тенденции. Для 7 показанных там моделей климата изменение температуры до 2100 изменяется от 2 до 4,5 ° C со средним значением около 3 ° C.
Сценарии будущего не включают неизвестные события - например, извержения вулканов или изменения солнечного воздействия. Эти эффекты считаются небольшими по сравнению с воздействием парниковых газов (ПГ) в долгосрочной перспективе, но, например, крупные извержения вулканов могут оказывать существенное временное охлаждающее воздействие.
Выбросы ПГ человека являются исходными данными модели, хотя можно также включить экономическую / технологическую подмодель, чтобы предоставить их. Уровни атмосферных парниковых газов обычно вводятся в качестве входных данных, хотя для расчета таких уровней можно включить модель углеродного цикла, отражающую процессы растительности и океана.
Прогнозируемое изменение среднегодовой температуры приземного воздуха с конца 20-го века до середины 21-го века на основе сценария выбросов СДСВ A1B (источник: NOAA Геофизические Лаборатория гидродинамики ).Для шести маркерных сценариев СДСВ МГЭИК (2007: 7–8) дала «наилучшую оценку» глобального повышения средней температуры (2090–2099 по сравнению с периодом 1980–1999) от 1,8 ° C до 4,0 ° C. За тот же период времени «вероятным» диапазоном (вероятность более 66%, на основании экспертной оценки) для этих сценариев было повышение средней глобальной температуры с 1,1 до 6,4 ° C.
В В 2008 году в исследовании были сделаны климатические прогнозы с использованием нескольких сценариев выбросов. В сценарии, когда глобальные выбросы начинают снижаться к 2010 году, а затем сокращаются с устойчивой скоростью на 3% в год, вероятное повышение средней глобальной температуры прогнозировалось на 1,7 ° C выше предварительно -промышленный уровень к 2050 году, который вырастет примерно до 2 ° C к 2100 году. В прогнозе, разработанном для моделирования будущего там, где не предпринимаются усилия по сокращению глобальных выбросов, вероятное повышение средней глобальной температуры к 2100 году прогнозировалось на 5,5 ° C. Повышение до 7 ° C считалось возможным, хотя и менее вероятным.
Другой сценарий отсутствия сокращения привел к среднему потеплению над сушей (2090–99 по сравнению с периодом 1980–99) на 5,1 ° C. При том же сценарии выбросов, но с другой моделью, прогнозируемое медианное потепление составило 4,1 ° C.
ошибки SST в HadCM3 
Североамериканские осадки по различным моделям 
Прогнозы температуры на основе некоторых климатических моделей, предполагающие сценарий выбросов СДСВ A2 МОЦАО интернализуют столько процессов, сколько достаточно понятно. Однако они все еще находятся в стадии разработки, и остаются существенные неопределенности. Они могут быть связаны с моделями других процессов в моделях систем Земли, таких как углеродный цикл, чтобы улучшить обратную связь модели. Самые последние моделирование демонстрирует «правдоподобное» согласие с измеренными аномалиями температуры за последние 150 лет, когда это обусловлено наблюдаемыми изменениями в парниковых газах и аэрозолях. Согласованность улучшается за счет включения как естественных, так и антропогенных воздействий.
Несовершенные модели, тем не менее, могут давать полезные результаты. ГКМ способны воспроизводить общие характеристики наблюдаемой глобальной температуры за последнее столетие.
Дискуссия о том, как согласовать предсказания климатической модели о том, что потепление верхних слоев атмосферы (тропосферы) должно быть больше, чем наблюдаемое потепление поверхности, некоторые из них который, казалось, свидетельствовал об обратном, был решен в пользу моделей после пересмотра данных.
Эффекты облаков представляют собой значительную область неопределенности в климатических моделях. Облака оказывают конкурирующее влияние на климат. Они охлаждают поверхность, отражая солнечный свет в космос; они нагревают его, увеличивая количество инфракрасного излучения, передаваемого из атмосферы на поверхность. В отчете МГЭИК 2001 г. возможные изменения облачного покрова были отмечены как основная неопределенность в прогнозировании климата.
Исследователи климата во всем мире используют климатические модели для понимания климатической системы. Были опубликованы тысячи статей об исследованиях, основанных на моделях. Частью этого исследования является улучшение моделей.
В 2000 году сравнение измерений и десятков моделей GCM вызванных ENSO тропических осадков, водяного пара, температуры и уходящего длинноволнового излучения обнаружило сходство между измерениями и моделированием большинства факторов. Однако смоделированное изменение количества осадков было примерно на четверть меньше наблюдаемого. Ошибки в моделировании осадков подразумевают ошибки в других процессах, например ошибки в скорости испарения, которая обеспечивает влагу для создания осадков. Другая возможность состоит в том, что спутниковые измерения ошибочны. Либо указывает, что для отслеживания и прогнозирования таких изменений необходим прогресс.
Точная величина будущих изменений климата все еще не ясна; для конца 21 века (с 2071 по 2100 год) для сценария A2 SRES изменение глобального среднего значения SAT по сравнению с AOGCM по сравнению с 1961 по 1990 год составляет +3,0 ° C (5,4 ° F), а диапазон составляет от +1,3 до +4,5 ° C (от +2,3 до 8,1 ° F).
В Пятом оценочном отчете МГЭИК утверждена «очень высокая уверенность в том, что модели воспроизводят общие характеристики глобального повышения средней годовой температуры поверхности за исторический период». Однако в отчете также отмечалось, что скорость потепления в период 1998–2012 гг. Была ниже, чем прогнозировалось 111 из 114 Проекта взаимного сравнения связанных моделей климатических моделей.
Глобальные климатические модели, используемые для прогнозов климата, похожи по структуре (и часто используют компьютерный код) числовых моделей для прогнозирования погоды, но, тем не менее, логически различны.
Большинство прогнозов погоды делается на основе интерпретации результатов численной модели. Поскольку прогнозы, как правило, составляют несколько дней или недель, а температура поверхности моря изменяется относительно медленно, такие модели обычно не содержат модели океана, а полагаются на введенные SST. Им также требуются точные начальные условия для начала прогноза - обычно они берутся из результатов предыдущего прогноза, смешанных с наблюдениями. Прогнозы погоды требуются с более высоким временным разрешением, чем прогнозы климата, часто с точностью до часа по сравнению со среднемесячными или годовыми средними показателями климата. Однако, поскольку прогнозы погоды охватывают только около 10 дней, модели также можно запускать с более высоким разрешением по вертикали и горизонтали, чем в климатическом режиме. В настоящее время ECMWF работает с разрешением 9 км (5,6 миль) в отличие от шкалы от 100 до 200 км (от 62 до 124 миль), используемой в типичных прогонах климатических моделей. Часто локальные модели запускаются с использованием результатов глобальной модели для граничных условий для достижения более высокого локального разрешения: например, Метеорологический офис запускает мезомасштабную модель с разрешением 11 км (6,8 миль), охватывающую Великобританию, и различные агентства в США используют такие модели, как модели NGM и NAM. Как и большинство глобальных моделей численного прогнозирования погоды, таких как GFS, глобальные климатические модели часто представляют собой спектральные модели, а не сеточные модели. Спектральные модели часто используются для глобальных моделей, потому что некоторые вычисления при моделировании могут выполняться быстрее, что сокращает время выполнения.
Климатические модели используют количественные методы для моделирования взаимодействий атмосферы, океанов, поверхности суши и лед.
Все климатические модели учитывают поступающую энергию в виде коротковолнового электромагнитного излучения, в основном видимого и коротковолнового (ближнего) инфракрасного, поскольку а также исходящая энергия в виде длинноволнового (дальнего) инфракрасного электромагнитного излучения от Земли. Любой дисбаланс приводит к изменению температуры.
. Наиболее обсуждаемые модели последних лет связывают температуру с выбросами парниковых газов. Эти модели прогнозируют тенденцию к повышению записи температуры поверхности, а также более быстрое повышение температуры на больших высотах.
Три (или, точнее, четыре, поскольку время также учитывается) размерные GCM дискретизируют уравнения движения жидкости и передачи энергии и интегрируют их во времени. Они также содержат параметризации для таких процессов, как конвекция, которые происходят в слишком малых масштабах, чтобы их можно было разрешить напрямую.
Атмосферные GCM (AGCM) моделируют атмосферу и устанавливают температуры поверхности моря в качестве граничных условий. Связанные ГКМ атмосфера-океан (AOGCM, например, HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) объединяют две модели.
Модельный ряд по сложности:
Другие подмодели могут быть взаимосвязаны, например землепользование, что позволяет исследователям предсказывать взаимодействие между климатом и экосистемами.
Модель Climber-3 использует 2,5-мерную статистико-динамическую модель с углом обзора 7,5 °. Разрешение × 22,5 ° и временной шаг 1/2 дня. Подмодель океана - это MOM-3 (Modular Ocean Model ) с сеткой 3,75 ° × 3,75 ° и 24 вертикальными уровнями.
Одномерные радиационно-конвективные модели использовались для проверки основных климатических предположений в 1980-х и 1990-х годах.
ГКМ могут быть частью моделей системы Земли, например путем объединения моделей ледяного покрова для динамики Гренландского и антарктического ледяного покрова и одной или нескольких моделей переноса химических веществ (CTMs) для видов, важных для климата. Таким образом, модель переноса химического состава углерода может позволить ГХМ лучше прогнозировать антропогенные изменения концентраций диоксида углерода. Кроме того, этот подход позволяет учитывать межсистемную обратную связь: например, химико-климатические модели позволяют изучить влияние изменения климата на озоновую дыру.
Портал глобального потепления 
Экологический портал 
Экологический портал 
Энергетический портал 