Климатическая модель - Climate model

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 , радиацию , относительную влажность и гидрологию поверхности в каждой сетке и оценивают взаимодействие с соседними точками.

В численных климатических моделях используются количественные методы для моделирования взаимодействия важных факторов климата, включая атмосферу , океаны , поверхность суши и лед . Они используются для различных целей - от изучения динамики климатической системы до прогнозов будущего климата . Климатические модели также могут быть качественными (т. Е. Не численными) моделями, а также описательными, в значительной степени описательными, возможного будущего.

Количественные модели климата учитывают поступающую от Солнца энергию в виде коротковолнового электромагнитного излучения , в основном видимого и коротковолнового (ближнего) инфракрасного диапазона , а также исходящего электромагнитного излучения в длинноволновом (дальнем) инфракрасном диапазоне . Любой дисбаланс приводит к изменению температуры .

Количественные модели различаются по сложности:

• Простая модель лучистой теплопередачи рассматривает землю как единую точку и усредняет исходящую энергию. Его можно расширить по вертикали (радиационно-конвективные модели) и / или по горизонтали.
• Наконец, (связанные) модели глобального климата атмосфера- океан - морской лед решают полные уравнения переноса массы и энергии и лучистого обмена.
• Другие типы моделирования могут быть взаимосвязаны, такие как землепользование , в моделях системы Земли , что позволяет исследователям прогнозировать взаимодействие между климатом и экосистемами .

Коробочные модели

Схема простой прямоугольной модели, используемой для иллюстрации потоков в геохимических циклах, показывающая источник (Q) , сток (S) и резервуар (M)

Коробчатые модели - это упрощенные версии сложных систем, сводящиеся к коробкам (или резервуарам ), соединенным потоками. Предполагается, что ящики перемешаны однородно. Следовательно, в пределах данного ящика концентрация любых химических веществ одинакова. Однако численность вида в пределах данного ящика может варьироваться в зависимости от времени из-за поступления в ящик (или потери из него) или из-за производства, потребления или разложения этого вида внутри ящика.

Простые ящичные модели, то есть ящичковая модель с небольшим количеством ящиков, свойства которых (например, их объем) не меняются со временем, часто полезны для вывода аналитических формул, описывающих динамику и устойчивую численность вида. Более сложные ящичные модели обычно решаются с использованием численных методов.

Коробчатые модели широко используются для моделирования экологических систем или экосистем, а также при изучении океанической циркуляции и углеродного цикла . Это экземпляры многокамерной модели .

Нульмерные модели

Очень простая модель радиационного равновесия Земли:

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

куда

• левая часть представляет собой поступающую энергию от Солнца.
• правая часть представляет собой исходящую от Земли энергию, рассчитанную по закону Стефана-Больцмана, предполагая модельную температуру T , иногда называемую «равновесной температурой Земли», которая должна быть найдена:

а также

• S - солнечная постоянная - приходящая солнечная радиация на единицу площади - около 1367 Вт · м ^−2.
• ${\ displaystyle a}$есть на Земли в среднем «S альбедо , измерено , 0,3.
• r - радиус Земли, примерно 6,371 × 10 ⁶ м.
• π - математическая константа (3.141 ...)
• ${\ displaystyle \ sigma}$- постоянная Стефана – Больцмана - приблизительно 5,67 × 10 ⁻⁸ Дж · К ⁻⁴ · м ⁻² · с ⁻¹
• ${\ displaystyle \ epsilon}$- эффективная излучательная способность Земли, около 0,612

Константу πr ² можно вынести за скобки , давая

${\ Displaystyle (1-а) S = 4 \ epsilon \ sigma T ^ {4}}$

Решая температуру,

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

Это дает кажущуюся эффективную среднюю температуру земли 288  К (15  ° C ; 59  ° F ). Это связано с тем, что приведенное выше уравнение представляет собой эффективную радиационную температуру Земли (включая облака и атмосферу).

Эта очень простая модель весьма поучительна. Например, он легко определяет влияние на среднюю температуру Земли изменений солнечной постоянной или изменения альбедо или эффективной излучательной способности Земли.

Средний коэффициент излучения Земли легко оценить по имеющимся данным. Излучательная способность земных поверхностей находится в диапазоне от 0,96 до 0,99 (за исключением некоторых небольших пустынных территорий, которые могут составлять всего 0,7). Однако облака, которые покрывают примерно половину поверхности Земли, имеют средний коэффициент излучения около 0,5 (который должен быть уменьшен в четвертой степени отношения абсолютной температуры облаков к средней абсолютной температуре Земли) и средней температурой облаков около 258. К (-15 ° С; 5 ° F). Правильный учет всего этого дает эффективный коэффициент излучения земли около 0,64 (средняя температура земли 285 K (12 ° C; 53 ° F)).

Эта простая модель легко определяет влияние изменений солнечной мощности или изменения альбедо Земли или эффективного коэффициента излучения Земли на среднюю температуру Земли. Однако в нем ничего не говорится о том, что могло бы заставить эти вещи измениться. Модели с нулевой размерностью не учитывают распределение температуры на Земле или факторы, перемещающие энергию по Земле.

Радиационно-конвективные модели

Приведенная выше нульмерная модель, использующая солнечную постоянную и заданную среднюю температуру Земли, определяет эффективную излучательную способность Земли длинноволновой радиации, излучаемой в космос. По вертикали это можно уточнить в одномерной радиационно-конвективной модели, которая рассматривает два процесса переноса энергии:

• Апвеллинг и нисходящий перенос излучения через слои атмосферы, которые поглощают и излучают инфракрасное излучение
• восходящий перенос тепла путем конвекции (особенно важно в нижних слоях тропосферы ).

Радиационно-конвективные модели имеют преимущества перед простой моделью: они могут определять влияние различных концентраций парниковых газов на эффективную излучательную способность и, следовательно, температуру поверхности. Но необходимы дополнительные параметры для определения локальной излучательной способности и альбедо и учета факторов, перемещающих энергию по Земле.

Влияние обратной связи альбедо льда на глобальную чувствительность в одномерной радиационно-конвективной модели климата.

Модели более высоких измерений

Нульмерную модель можно расширить, чтобы учесть энергию, переносимую горизонтально в атмосфере. Такая модель вполне может быть усреднена по зонам . Эта модель имеет то преимущество, что допускает рациональную зависимость местного альбедо и излучательной способности от температуры - полюса могут быть ледяными, а экватор - теплыми, но отсутствие истинной динамики означает, что необходимо указать горизонтальный перенос.

EMIC (модели земных систем средней сложности)

В зависимости от природы задаваемых вопросов и соответствующих временных масштабов существуют, с одной стороны, концептуальные, более индуктивные модели, а с другой - модели общей циркуляции, работающие с наивысшим пространственным и временным разрешением, которое возможно в настоящее время. Модели средней сложности ликвидируют разрыв. Одним из примеров является модель Climber-3. Его атмосфера представляет собой 2,5-мерную статистико-динамическую модель с разрешением 7,5 ° × 22,5 ° и временным шагом в полдня; океан - это MOM-3 ( Modular Ocean Model ) с сеткой 3,75 ° × 3,75 ° и 24 вертикальными уровнями.

GCM (глобальные климатические модели или модели общей циркуляции)

Общие модели циркуляции (GCM) дискретизируют уравнения движения жидкости и передачи энергии и интегрируют их с течением времени. В отличие от более простых моделей, GCM разделяют атмосферу и / или океаны на сетки дискретных «ячеек», которые представляют собой вычислительные единицы. В отличие от более простых моделей, которые делают предположения о смешивании, процессы, внутренние по отношению к ячейке, такие как конвекция, которые происходят в масштабах, слишком малых для непосредственного разрешения, параметризуются на уровне ячейки, в то время как другие функции управляют интерфейсом между ячейками.

Атмосферные GCM (AGCM) моделируют атмосферу и устанавливают температуру поверхности моря в качестве граничных условий. Связанные ГМЦ атмосфера-океан (AOGCM, например, HadCM3 , EdGCM , GFDL CM2.X , ARPEGE-Climat) объединяют две модели. Первая модель климата с общей циркуляцией, сочетающая в себе океанические и атмосферные процессы, была разработана в конце 1960-х годов в Лаборатории геофизической гидродинамики NOAA. AOGCM представляют собой вершину сложности климатических моделей и учитывают как можно больше процессов. Однако они все еще находятся в стадии разработки, и остается неопределенность. Они могут быть связаны с моделями других процессов, таких как углеродный цикл , чтобы лучше моделировать эффекты обратной связи. Такие интегрированные мультисистемные модели иногда называют либо «моделями земной системы», либо «глобальными климатическими моделями».

Исследования и разработки

Существует три основных типа институтов, в которых разрабатываются, внедряются и используются климатические модели:

• Национальные метеорологические службы. В большинстве национальных метеорологических служб есть отдел климатологии .
• Университеты. Соответствующие кафедры включают атмосферные науки, метеорологию, климатологию и географию.
• Национальные и международные исследовательские лаборатории. Примеры включают Национальный центр атмосферных исследований (NCAR, в Боулдере, Колорадо , США), Лабораторию геофизической гидродинамики (GFDL, в Принстоне, Нью-Джерси , США), Национальную лабораторию Лос-Аламоса , Центр прогнозирования и исследований климата Хэдли ( в Эксетере , Великобритания), Институт метеорологии Макса Планка в Гамбурге, Германия, или Лаборатория климатических наук и окружающей среды (LSCE), Франция, и это лишь некоторые из них.

Всемирная программа исследований климата (ВПИК), организованная Всемирная метеорологическая организация (ВМО), координирует научно - исследовательскую деятельность по моделированию климата во всем мире.

В отчете Национального исследовательского совета США за 2012 год обсуждалось, как крупное и разнообразное предприятие США по моделированию климата могло бы эволюционировать, чтобы стать более унифицированным. В отчете указывается, что повышения эффективности можно добиться путем разработки общей программной инфраструктуры, разделяемой всеми исследователями климата США, и проведения ежегодного форума по моделированию климата.

Смотрите также

• Атмосферный реанализ
• Модель общей циркуляции
• Измерение атмосферной радиации (ARM) (в США)
• Climateprediction.net
• GFDL CM2.X
• GO-ESSP
• Численный прогноз погоды
• Статическая модель атмосферы
• Модель прогнозирования тропических циклонов
• Проверка и валидация компьютерных имитационных моделей
• Модель морского льда CICE

Климатические модели в сети

• Dapper / DChart - постройте и загрузите данные модели, на которые ссылается Четвертый оценочный доклад (AR4) Межправительственной группы экспертов по изменению климата . (Больше недоступно)
• Модель климатической системы сообщества NCAR / UCAR (CCSM)
• Прогноз климата своими руками
• Первичные исследования GCM, разработанные NASA / GISS (Институт космических исследований Годдарда)
• Оригинальная глобальная климатическая модель (GCM) NASA / GISS с удобным интерфейсом для ПК и Mac
• Информация о модели CCCma и интерфейс для получения данных модели
• NOAA / Лаборатория геофизической гидродинамики CM2 с информацией о глобальной климатической модели и файлы выходных данных модели
• Сухой идеализированный AGCM на основе вышеуказанного GFDL CM2
• Модель идеализированной влажной атмосферы (MiMA) : на основе GFDL CM2. Сложность между сухими моделями и полными GCM
• Глобальная климатическая модель Университета Виктории , бесплатно для скачивания. Ведущий исследователь был автором отчета МГЭИК об изменении климата.
• vimeo.com/user12523377/videos Визуализации климатических моделей ETH Zurich
• Эмпирические климата Модель архивации 24 марта 2019 в Wayback Machine

использованная литература

Библиография

• Роулстон, Ян; Норбери, Джон (2013). Невидимый во время бури: роль математики в понимании погоды . Издательство Принстонского университета.

внешние ссылки

• Проект взаимного сравнения связанных моделей
• О радиационной и динамической обратной связи над экваториальным тихоокеанским холодным языком
• Основные радиационные расчеты - открытие глобального потепления
• Хендерсон-Селлерс, А .; Робинсон, П.Дж. (1999). Современная климатология . Нью-Йорк: Лонгман. ISBN 978-0-582-27631-4. Архивировано из оригинального 28 сентября 2007 года.
• Веб-сайт «Моделирование климата 101 » Национального исследовательского совета США. Этот сайт знакомит с принципами работы климатических моделей. Информация основана на экспертных консенсусных отчетах Совета по атмосферным наукам и климату Национального исследовательского совета США . Самым последним из них является Национальная стратегия развития климатического моделирования, заархивированная 3 октября 2012 года в Wayback Machine .
• Почему важны результаты климатических моделей следующего поколения CarbonBrief, гостевой пост Белчера, Бушера, Саттона, 21 марта 2019 г.
• Builder Insight - Моделирование будущего климата в пассивно охлаждаемых зданиях