Modelo de circulação geral - General circulation model

Os modelos climáticos são sistemas de equações diferenciais baseadas nas leis básicas da física , movimento dos fluidos e química . Para "rodar" um modelo, os cientistas dividem o planeta em uma grade tridimensional, aplicam as equações básicas e avaliam os resultados. Modelos atmosféricos calculam ventos , transferência de calor , radiação , umidade relativa e hidrologia de superfície dentro de cada grade e avaliam as interações com pontos vizinhos.
Esta visualização mostra as primeiras renderizações de teste de um modelo computacional global da atmosfera da Terra com base em dados do Goddard Earth Observing System Model da NASA, Versão 5 (GEOS-5).

Um modelo de circulação geral ( GCM ) é um tipo de modelo climático . Ele emprega um modelo matemático da circulação geral de uma atmosfera planetária ou oceano. Ele usa as equações de Navier-Stokes em uma esfera giratória com termos termodinâmicos para várias fontes de energia ( radiação , calor latente ). Essas equações são a base para programas de computador usados ​​para simular a atmosfera terrestre ou os oceanos. Os GCMs atmosféricos e oceânicos (AGCM e OGCM ) são componentes-chave junto com o gelo marinho e os componentes da superfície terrestre .

Os GCMs e os modelos climáticos globais são usados ​​para previsão do tempo , compreensão do clima e previsão das mudanças climáticas .

Versões projetadas para aplicações climáticas em escala de tempo de década a século foram originalmente criadas por Syukuro Manabe e Kirk Bryan no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) em Princeton, New Jersey . Esses modelos são baseados na integração de uma variedade de equações fluidas dinâmicas, químicas e, às vezes, biológicas.

Terminologia

A sigla GCM originalmente significava Modelo de Circulação Geral . Recentemente, um segundo significado entrou em uso, a saber, Modelo Climático Global . Embora estes não se referem à mesma coisa, a General Modelos de Circulação são tipicamente as ferramentas utilizadas para a modelagem climática , e, portanto, os dois termos são por vezes utilizados alternadamente. 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 o clima matematicamente.

História

Em 1956, Norman Phillips desenvolveu um modelo matemático que poderia representar de forma realista os padrões mensais e sazonais da troposfera . Tornou-se o primeiro modelo climático de sucesso . Seguindo o trabalho de Phillips, vários grupos começaram a trabalhar para criar GCMs. O primeiro a combinar os processos oceânicos e atmosféricos foi desenvolvido no final dos anos 1960 no NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory . No início da década de 1980, o Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica dos Estados Unidos desenvolveu o Modelo de Atmosfera Comunitária; este modelo foi continuamente refinado. Em 1996, os esforços começaram para modelar tipos de solo e vegetação. Mais tarde, o Centro Hadley para Pesquisa e Previsão Climática do HadCM3 modelo acoplado elementos oceano-atmosfera. O papel de ondas de gravidade foi adicionado, em meados da década de 1980. As ondas gravitacionais são necessárias para simular com precisão as circulações em escala regional e global.

Modelos atmosféricos e oceânicos

Os GCMs atmosféricos (AGCMs) e oceânicos (OGCMs) podem ser acoplados para formar um modelo de circulação geral acoplado 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 propriamente quadridimensionais) aplicam equações discretas para o movimento do fluido e as integram para frente no tempo. Eles contêm parametrizações para processos como a convecção que ocorre em escalas muito pequenas para serem resolvidas diretamente.

Um modelo de circulação geral simples (SGCM) consiste em um núcleo dinâmico que relaciona propriedades como temperatura a outras como pressão e velocidade. Os exemplos são programas que resolvem as equações primitivas , dada a entrada de energia e dissipação de energia na forma de atrito dependente da escala , de modo que as ondas atmosféricas com os maiores números de onda sejam mais atenuadas. Esses modelos podem ser usados ​​para estudar processos atmosféricos, mas não são adequados para projeções climáticas.

Os GCMs atmosféricos (AGCMs) modelam a atmosfera (e normalmente também contêm um modelo da superfície terrestre) usando as temperaturas impostas à superfície do mar (SSTs). Eles podem incluir química atmosférica.

Os AGCMs consistem em um núcleo dinâmico que integra as equações do movimento do fluido, normalmente para:

  • pressão superficial
  • componentes horizontais de velocidade em camadas
  • temperatura e vapor de água em camadas
  • radiação, dividida em solar / onda curta e terrestre / infravermelho / onda longa
  • parâmetros para:

Um GCM contém equações de prognóstico que são função do tempo (normalmente ventos, temperatura, umidade e pressão de superfície) junto com equações de diagnóstico que são avaliadas a partir delas para um período de tempo específico. Como um exemplo, a pressão em qualquer altura pode ser diagnosticada aplicando a equação hidrostática à pressão superficial prevista e os valores previstos de temperatura entre a superfície e a altura de interesse. A pressão é usada para calcular a força do gradiente de pressão na equação dependente do tempo para os ventos.

Os OGCMs modelam o oceano (com fluxos da atmosfera impostos) e podem 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 submodelos. Eles eliminam a necessidade de especificar fluxos na interface da superfície do oceano. Esses modelos são a base para as previsões de modelos do clima futuro, conforme discutido pelo IPCC . AOGCMs internalizam tantos processos quanto possível. Eles têm sido 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 feitas 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 de grade angular constante (ou seja, uma grade de latitude / longitude). No entanto, grades não retangulares (por exemplo, icosaédrica) e grades de resolução variável são usadas com mais frequência. 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 resolução mais alta nos trópicos para ajudar a resolver processos considerados importantes para a Oscilação Sul do El Niño (ENSO). Modelos espectrais geralmente utilizar uma grade gaussiana , por causa da matemática da transformação entre o espaço de espectro e rede ponto-. As resoluções típicas do AGCM estão entre 1 e 5 graus em latitude ou longitude: HadCM3, por exemplo, usa 3,75 em longitude e 2,5 graus em latitude, fornecendo 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 tem quatro variáveis ​​( u , v , T , Q ), embora uma contagem completa fornecesse mais (nuvens; níveis de solo). HadGEM1 usa uma grade de 1,875 graus de longitude e 1,25 de latitude na atmosfera; HiGEM, uma variante de alta resolução, usa 1,25 x 0,83 graus, respectivamente. Essas resoluções são mais baixas do que as normalmente usadas para previsão do tempo. As resoluções dos oceanos tendem a ser maiores, por exemplo, o HadCM3 tem 6 pontos da 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 (ver condição CFL ) e, portanto, as variáveis ​​do modelo devem ser filtradas ao longo das linhas de latitude próximas aos pólos. Os modelos oceânicos também sofrem com esse problema, a menos que uma grade rotativa seja usada na qual o Pólo Norte seja deslocado para uma massa de terra próxima. Os modelos espectrais não sofrem deste problema. Alguns experimentos usam grades geodésicas e grades icosaédricas, que (sendo mais uniformes) não apresentam problemas de pólos. Outra abordagem para resolver o problema de espaçamento da grade é deformar um cubo cartesiano de forma que ele cubra a superfície de uma esfera.

Buffer de fluxo

Algumas versões anteriores de AOGCMs exigiam um processo ad hoc de " correção de fluxo " para atingir um clima estável. Isso resultou de modelos oceânicos e atmosféricos preparados separadamente, em que cada um usava um fluxo implícito do outro componente diferente do que aquele componente poderia produzir. Esse modelo falhou em coincidir com as observações. No entanto, se os fluxos forem 'corrigidos', os fatores que levaram a esses fluxos irrealistas podem não ser reconhecidos, o que pode afetar a sensibilidade do modelo. Como resultado, a grande maioria dos modelos usados ​​na atual rodada de relatórios do IPCC não os usa. As melhorias do modelo que agora tornam as correções de fluxo desnecessárias incluem física oceânica aprimorada, resolução aprimorada na atmosfera e no oceano e um acoplamento mais consistente fisicamente entre os submodelos da atmosfera e do oceano. Modelos aprimorados agora mantêm simulações estáveis ​​de vários séculos de clima de superfície que são consideradas de qualidade suficiente para permitir seu uso em projeções climáticas.

Convecção

A convecção úmida libera calor latente e é importante para o orçamento de energia da Terra. A convecção ocorre em uma escala muito pequena para ser resolvida por modelos climáticos e, portanto, deve ser tratada por meio de parâmetros. Isso tem sido feito desde a década de 1950. Akio Arakawa fez muito do trabalho inicial, e variantes de seu esquema ainda são usadas, embora uma variedade de esquemas diferentes estejam em uso. As nuvens também são normalmente tratadas com um parâmetro, por uma falta de escala semelhante. A compreensão limitada das nuvens limitou o sucesso desta estratégia, mas não devido a alguma deficiência inerente 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 a partir do modelo, mas é deduzida das temperaturas da superfície e da camada mais baixa do modelo. Outro software é usado para criar plotagens e animações.

Projeções

Temperatura média anual projetada do ar na superfície de 1970-2100, com base no cenário de emissões SRES A1B, usando o modelo climático NOAA GFDL CM2.1 (crédito: NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory ).

AOGCMs acoplados usam simulações de clima temporário para projetar / prever mudanças climáticas em vários cenários. Esses podem ser cenários idealizados (mais comumente, emissões de CO 2 aumentando em 1% / ano) ou com base na história recente (geralmente o "IS92a" ou, mais recentemente, os cenários SRES ). Quais cenários são mais realistas permanecem incertos.

Em 2001, o Terceiro Relatório de Avaliação do IPCC Relatório F IGURA 9.3 mostra a resposta média global de 19 modelos acoplados diferentes para um experimento idealizado em que as emissões aumentaram em 1% ao ano. A Figura 9.5 mostra a resposta de um número menor de modelos às tendências mais recentes. Para os 7 modelos climáticos mostrados lá, a mudança de temperatura para 2100 varia de 2 a 4,5 ° C com uma mediana de cerca de 3 ° C.

Os 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 formação de gases de efeito estufa (GEE) no longo prazo, mas grandes erupções vulcânicas, por exemplo, podem exercer um efeito de resfriamento temporário substancial.

As emissões humanas de GEE são uma entrada do modelo, embora seja possível incluir um submodelo econômico / tecnológico para fornecê-los também. Os níveis atmosféricos de GEE são geralmente fornecidos como uma entrada, embora seja possível incluir um modelo do ciclo do carbono que reflita a vegetação e os processos oceânicos para calcular tais níveis.

Cenários de emissões

No século 21, as mudanças na temperatura média global são projetadas para variar em todo o mundo
Mudança projetada na temperatura média anual do ar na superfície do final do século 20 a meados do século 21, com base no cenário de emissões SRES A1B (crédito: NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory ).

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 de 1980–1999) de 1,8 ° C a 4,0 ° C. Durante o mesmo período de tempo, o intervalo "provável" (probabilidade superior a 66%, com base na opinião de especialistas) para esses cenários foi para um aumento da temperatura média global de 1,1 a 6,4 ° C.

Em 2008, um estudo fez projeções climáticas usando vários cenários de emissões. Em um cenário em que as emissões globais começam a diminuir em 2010 e depois diminuem a uma taxa sustentada de 3% ao ano, o provável aumento da temperatura média global foi previsto em 1,7 ° C acima dos níveis pré-industriais em 2050, aumentando para cerca de 2 ° C em 2100. Em uma projeção projetada para simular um futuro onde nenhum esforço é feito para reduzir as emissões globais, o provável aumento na temperatura média global foi previsto em 5,5 ° C em 2100. Um aumento de até 7 ° C foi considerado possível , embora menos provável.

Outro cenário de não redução resultou em um aquecimento médio da 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 médio previsto foi de 4,1 ° C.

Precisão do modelo

Erros SST em HadCM3
Precipitação norte-americana de vários modelos
Previsões de temperatura de alguns modelos climáticos assumindo o cenário de emissões SRES A2

AOGCMs internalizam tantos processos quanto são suficientemente compreendidos. No entanto, eles ainda estão em desenvolvimento e permanecem incertezas significativas. Eles podem ser acoplados a modelos de outros processos em modelos do sistema terrestre , como o ciclo do carbono , para melhor modelar feedbacks. As simulações mais recentes mostram uma concordância "plausível" com as anomalias de temperatura medidas nos últimos 150 anos, quando impulsionadas por mudanças observadas nos gases de efeito estufa e aerossóis. A concordância melhora ao incluir forças 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 reconciliar as previsões dos modelos climáticos de que o aquecimento do ar superior (troposférico) deveria ser maior do que o aquecimento da superfície observado, alguns dos quais pareciam mostrar o contrário, foi resolvido em favor dos modelos, após revisões de dados.

Os efeitos da nuvem são uma área significativa de incerteza nos modelos climáticos. As nuvens têm efeitos competitivos no clima. Eles resfriam a superfície refletindo a luz do sol no espaço; eles o aquecem aumentando a quantidade de radiação infravermelha transmitida da atmosfera para a superfície. No relatório do IPCC de 2001, possíveis mudanças na cobertura de nuvens foram destacadas como uma grande incerteza na previsão do clima.

Pesquisadores do clima em todo o mundo usam modelos climáticos para entender o sistema climático. Milhares de artigos foram publicados sobre estudos baseados em modelos. Parte dessa pesquisa é para aprimorar os modelos.

Em 2000, uma comparação entre medições e dezenas de simulações de GCM de precipitação tropical conduzida por ENSO , vapor de água, temperatura e radiação de onda longa de saída encontrou similaridade entre as medições e simulação da maioria dos fatores. No entanto, a mudança simulada na precipitação foi cerca de um quarto menor do que o observado. Erros na precipitação simulada implicam em 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. Qualquer um indica que o progresso é necessário para monitorar e prever tais mudanças.

A magnitude precisa das mudanças futuras no clima ainda é incerta; para o final do século 21 (2071 a 2100), para o cenário SRES A2, a mudança da mudança SAT média global de AOGCMs em comparação com 1961 a 1990 é de +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 "uma confiança muito alta de que os modelos reproduzem as características gerais do aumento anual da temperatura média da superfície em escala global durante o período histórico". No entanto, o relatório também observou que a taxa de aquecimento durante o período de 1998–2012 foi menor do que a prevista por 111 dos 114 modelos climáticos do Coupled Model Intercomparison Project .

Relação com a previsão do tempo

Os modelos climáticos globais usados ​​para projeções climáticas são semelhantes em estrutura aos modelos numéricos para previsão do tempo (e freqüentemente compartilham código de computador com eles) , mas, apesar disso, são logicamente distintos.

A maior parte da previsão do tempo é feita com base na interpretação dos resultados do modelo numérico. Uma vez que as previsões são normalmente de alguns dias ou uma semana e as temperaturas da superfície do mar mudam de forma relativamente lenta, esses modelos geralmente não contêm um modelo do oceano, mas dependem de SSTs impostas. Eles também exigem condições iniciais precisas para iniciar a previsão - normalmente, são retiradas do resultado de uma previsão anterior, combinada com as observações. As previsões meteorológicas são necessárias em resoluções temporais mais altas do que as projeções climáticas, muitas vezes subhoras em comparação com as médias mensais ou anuais para o clima. No entanto, como as previsões do tempo 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 funciona com resolução de 9 km (5,6 mi), em oposição à escala de 100 a 200 km (62 a 124 mi) usada por modelos climáticos típicos. Freqüentemente, os modelos locais são executados usando resultados de modelos globais para condições de contorno, para obter uma resolução local mais alta: por exemplo, o Met Office executa um modelo de mesoescala com uma resolução de 11 km (6,8 mi) cobrindo o Reino Unido, e várias agências nos EUA empregam modelos como os modelos NGM e NAM. Como a maioria dos modelos numéricos globais de previsão do tempo, como o GFS , os modelos globais do clima são frequentemente modelos espectrais em vez de modelos de grade. Modelos espectrais são frequentemente usados ​​para modelos globais porque alguns cálculos na modelagem podem ser executados mais rapidamente, reduzindo assim os tempos de execução.

Computações

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 que chega como radiação eletromagnética de ondas curtas , principalmente visível e infravermelho de ondas curtas (próximo) , bem como a energia que sai como radiação eletromagnética infravermelha de ondas longas (distante) da terra. Qualquer desequilíbrio resulta em uma mudança na 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 da temperatura da superfície , bem como um aumento mais rápido da temperatura em altitudes mais elevadas.

Três (ou mais apropriadamente, quatro já que o tempo também é considerado) os GCMs dimensionais discretizam as equações para o movimento do fluido e a transferência de energia e as integram ao longo do tempo. Eles também contêm parametrizações para processos como a convecção que ocorre em escalas muito pequenas para serem resolvidas diretamente.

Os GCMs atmosféricos (AGCMs) modelam a atmosfera e impõem as temperaturas da superfície do mar como condições de contorno. Os GCMs acoplados atmosfera-oceano (AOGCMs, por exemplo, HadCM3 , EdGCM , GFDL CM2.X , ARPEGE-Climat) combinam os dois modelos.

Os modelos variam em complexidade:

  • Um modelo simples de transferência de calor radiante trata a Terra como um único ponto e calcula a média da energia de saída
  • Isso pode ser expandido verticalmente (modelos radiativos-convectivos) ou horizontalmente
  • Finalmente, os modelos climáticos globais (acoplados) atmosfera-oceano- gelo marinho discretizam e resolvem as equações completas para transferência de massa e energia e troca radiante.
  • Os modelos de caixa tratam os fluxos através e dentro das bacias oceânicas.

Outros submodelos podem ser interligados, como o uso da terra , permitindo aos pesquisadores prever a interação entre o clima e os ecossistemas.

Comparação com outros modelos climáticos

Modelos do sistema terrestre de complexidade intermediária (EMICs)

O modelo Climber-3 usa um modelo dinâmico-estatístico 2,5-dimensional com resolução de 7,5 ° × 22,5 ° e intervalo de tempo de 1/2 dia. Um submodelo oceânico é o MOM-3 ( Modular Ocean Model ) com uma grade de 3,75 ° × 3,75 ° e 24 níveis verticais.

Modelos radiativos-convectivos (RCM)

Modelos unidimensionais de convecção radiativa foram usados ​​para verificar os pressupostos climáticos básicos nas décadas de 1980 e 1990.

Modelos do sistema terrestre

Os GCMs podem fazer parte dos modelos do sistema terrestre , por exemplo, acoplando modelos das 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 químico de carbono pode permitir que um GCM preveja melhor as mudanças antropogênicas nas concentrações de dióxido de carbono . Além disso, esta abordagem permite levar em conta o feedback entre os sistemas: por exemplo, os modelos químicos-climáticos permitem que os efeitos das mudanças climáticas no buraco de ozônio sejam estudados.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos