Modelo climático

Los modelos climáticos son sistemas de ecuaciones diferenciales basados en las leyes básicas de física, movimiento fluido y química. Para “correr” un modelo, los científicos dividen el planeta en una red tridimensional, aplican las ecuaciones básicas y evalúan los resultados. Los modelos atmosféricos calculan vientos, transferencia de calor, radiación, humedad relativa e hidrología superficial dentro de cada rejilla y evalúan las interacciones con puntos vecinos.

Los modelos climáticos numéricos utilizan métodos cuantitativos para simular las interacciones de los impulsores importantes del clima, incluidos la atmósfera, los océanos, la superficie terrestre y el hielo. Se utilizan para una variedad de propósitos, desde el estudio de la dinámica del sistema climático hasta las proyecciones del clima futuro. Los modelos climáticos también pueden ser modelos cualitativos (es decir, no numéricos) y también narrativas, en gran medida descriptivas, de futuros posibles.

Los modelos climáticos cuantitativos tienen en cuenta la energía entrante del sol como radiación electromagnética de onda corta, principalmente visible e infrarroja (cercana) de onda corta, así como la radiación electromagnética infrarroja (lejana) de onda larga saliente. Un desequilibrio da como resultado un cambio en la temperatura.

Los modelos cuantitativos varían en complejidad. Por ejemplo, un modelo simple de transferencia de calor radiante trata a la tierra como un solo punto y promedia la energía saliente. Esto se puede expandir verticalmente (modelos radiativos-convectivos) y/o horizontalmente. Los modelos climáticos globales combinados atmósfera-océano-hielo marino resuelven las ecuaciones completas para la transferencia de masa y energía y el intercambio radiante. Además, se pueden interrelacionar otros tipos de modelado, como el uso de la tierra, en los modelos del sistema terrestre, lo que permite a los investigadores predecir la interacción entre el clima y los ecosistemas.

Modelos de caja

Esquemático de un modelo de caja simple utilizado para ilustrar flujos en ciclos geoquímicos, mostrando una fuente (Q), lavabo (S) y depósito (M)

Los modelos de caja son versiones simplificadas de sistemas complejos, reduciéndolos a cajas (o depósitos) unidos por flujos. Se supone que las cajas se mezclan homogéneamente. Dentro de una caja dada, la concentración de cualquier especie química es por lo tanto uniforme. Sin embargo, la abundancia de una especie dentro de una caja dada puede variar en función del tiempo debido a la entrada (o pérdida) de la caja o debido a la producción, consumo o descomposición de esta especie dentro de la caja.

Los modelos de caja simples, es decir, el modelo de caja con un pequeño número de cajas cuyas propiedades (p. ej., su volumen) no cambian con el tiempo, suelen ser útiles para derivar fórmulas analíticas que describen la dinámica y la abundancia constante de una especie. Los modelos de caja más complejos generalmente se resuelven utilizando técnicas numéricas.

Los modelos de caja se utilizan ampliamente para modelar sistemas ambientales o ecosistemas y en estudios de circulación oceánica y el ciclo del carbono. Son instancias de un modelo multicompartimental.

Modelos de dimensión cero

Los modelos de dimensión cero también se conocen comúnmente como modelos de balance de energía (o EBM's).

Modelo con superficie y ambiente combinados

Un modelo muy simple del equilibrio radiativo de la Tierra es

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

dónde

• el lado izquierdo representa la energía entrante del Sol
• el lado derecho representa la energía saliente de la Tierra, calculada a partir de la ley Stefan-Boltzmann asumiendo una temperatura modelo-fictiva, T, a veces llamada la 'temperatura del equilibrio de la Tierra', que se encuentra,

y

• S es la constante solar – la radiación solar entrante por área de unidad – sobre 1367 W·m⁻²
• ${displaystyle a}$ es el albedo promedio de la Tierra, medido a 0.3.
• r es el radio de la Tierra, aproximadamente 6.371×10⁶m
• π es la constante matemática (3.141...)
• ${displaystyle sigma }$ es la constante Stefan-Boltzmann – aproximadamente 5.67×10⁻⁸ J·K⁻⁴·m⁻²·⁻¹
• ${displaystyle epsilon }$ es la emisividad efectiva de la tierra, alrededor de 0.612

La constante πr² se puede factorizar, dando

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

Resolviendo para la temperatura,

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

Esto arroja una temperatura terrestre promedio efectiva aparente de 288 K (15 °C; 59 °F). Esto se debe a que la ecuación anterior representa la temperatura radiativa efectiva de la superficie y la atmósfera combinadas de la Tierra (incluidas las nubes).

Este modelo muy simple es muy instructivo. Por ejemplo, determina fácilmente el cambio en la temperatura efectiva causado por cambios en la constante solar, el albedo de la Tierra o la emisividad efectiva de la Tierra.

La emisividad promedio de la tierra se estima fácilmente a partir de los datos disponibles. Las emisividades de las superficies terrestres están todas en el rango de 0,96 a 0,99 (excepto en algunas áreas desérticas pequeñas que pueden ser tan bajas como 0,7). Sin embargo, las nubes, que cubren aproximadamente la mitad de la superficie terrestre, tienen una emisividad promedio de alrededor de 0,5 (que debe reducirse a la cuarta potencia de la relación entre la temperatura absoluta de la nube y la temperatura absoluta promedio de la Tierra) y una nube promedio temperatura de alrededor de 258 K (−15 °C; 5 °F). Si se tiene todo esto en cuenta correctamente, se obtiene una emisividad terrestre efectiva de aproximadamente 0,64 (temperatura media terrestre de 285 K (12 °C; 53 °F)).

Modelos con capas superficiales y atmosféricas separadas

EBM de una capa con superficie de cuerpo negro

También se han construido modelos adimensionales con capas atmosféricas funcionalmente separadas de la superficie. El más simple de estos es el modelo de una capa de dimensión cero, que puede extenderse fácilmente a un número arbitrario de capas atmosféricas. La(s) capa(s) superficial(es) y atmosférica(s) se caracteriza(n) por una temperatura y un valor de emisividad correspondientes, pero no por el espesor. La aplicación del equilibrio radiativo (es decir, la conservación de la energía) en las interfaces entre capas produce un conjunto de ecuaciones acopladas que se pueden resolver.

Los modelos en capas producen temperaturas que estiman mejor las observadas en la superficie de la Tierra y los niveles atmosféricos. Asimismo, ilustran los procesos de transferencia de calor por radiación que subyacen al efecto invernadero. La cuantificación de este fenómeno utilizando una versión del modelo de una capa fue publicada por primera vez por Svante Arrhenius en el año 1896.

Modelos radiativos-convectivos

El modelo de dimensión cero anterior, utilizando la constante solar y la temperatura terrestre promedio dada, determina la emisividad terrestre efectiva de la radiación de onda larga emitida al espacio. Esto se puede refinar en la vertical a un modelo radiativo-convectivo unidimensional, que considera dos procesos de transporte de energía:

• transferencia radiativa de aumento y disminución a través de capas atmosféricas que absorben y emiten radiación infrarroja
• transporte ascendente de calor por convección (especialmente importante en la troposfera inferior).

Los modelos radiativo-convectivo tienen ventajas sobre el modelo simple: pueden determinar los efectos de concentraciones variables de gases de efecto invernadero en la emisividad efectiva y, por lo tanto, en la temperatura de la superficie. Pero se necesitan parámetros adicionales para determinar la emisividad y el albedo locales y abordar los factores que mueven la energía alrededor de la tierra.

Efecto de la retroalimentación del albedo del hielo sobre la sensibilidad global en un modelo climático radiativo-convectivo unidimensional.

Modelos de mayores dimensiones

El modelo de dimensión cero puede expandirse para considerar la energía transportada horizontalmente en la atmósfera. Este tipo de modelo bien puede promediarse zonalmente. Este modelo tiene la ventaja de permitir una dependencia racional del albedo local y la emisividad de la temperatura (se puede permitir que los polos estén helados y el ecuador cálido), pero la falta de una verdadera dinámica significa que se deben especificar los transportes horizontales.

EMICs (modelos del sistema terrestre de complejidad intermedia)

Dependiendo de la naturaleza de las preguntas formuladas y las escalas de tiempo pertinentes, existen, en un extremo, modelos conceptuales más inductivos y, en el otro extremo, modelos de circulación general que operan con la resolución espacial y temporal más alta actualmente factible.. Los modelos de complejidad intermedia cierran la brecha. Un ejemplo es el modelo Climber-3. Su atmósfera es un modelo estadístico-dinámico de 2,5 dimensiones con una resolución de 7,5° × 22,5° y un intervalo de tiempo de medio día; el océano es MOM-3 (Modular Ocean Model) con una cuadrícula de 3,75° × 3,75° y 24 niveles verticales.

GCM (modelos climáticos globales o modelos de circulación general)

Los modelos de circulación general (GCM) diferencian las ecuaciones para el movimiento de fluidos y la transferencia de energía y las integran a lo largo del tiempo. A diferencia de los modelos más simples, los GCM dividen la atmósfera y/o los océanos en cuadrículas de "celdas" discretas, que representan unidades computacionales. A diferencia de los modelos más simples que hacen suposiciones de mezcla, los procesos internos de una celda, como la convección, que ocurren en escalas demasiado pequeñas para resolverse directamente, se parametrizan a nivel de celda, mientras que otras funciones gobiernan la interfaz entre celdas.

Los GCM atmosféricos (AGCM) modelan la atmósfera e imponen las temperaturas de la superficie del mar como condiciones límite. Los GCM atmósfera-océano acoplados (AOGCM, por ejemplo, HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) combinan los dos modelos. El primer modelo climático de circulación general que combinó los procesos oceánicos y atmosféricos se desarrolló a fines de la década de 1960 en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos de la NOAA. Los AOGCM representan el pináculo de la complejidad en los modelos climáticos e internalizan tantos procesos como sea posible. Sin embargo, todavía están en desarrollo y persisten las incertidumbres. Pueden acoplarse a modelos de otros procesos, como el ciclo del carbono, para modelar mejor los efectos de retroalimentación. Dichos modelos de sistemas múltiples integrados a veces se denominan "modelos de sistemas terrestres" o "modelos climáticos globales".

Investigación y desarrollo

Hay tres tipos principales de instituciones donde se desarrollan, implementan y utilizan modelos climáticos:

• Servicios meteorológicos nacionales. La mayoría de los servicios meteorológicos nacionales tienen una sección de climatología.
• Universidades. Los departamentos pertinentes incluyen ciencias atmosféricas, meteorología, climatología y geografía.
• Laboratorios nacionales e internacionales de investigación. Ejemplos son el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR, en Boulder, Colorado, EE.UU), el Laboratorio Geofísico de Dinámica Fluida (GFDL, en Princeton, Nueva Jersey, EE.UU.), el Laboratorio Nacional Los Álamos, el Centro Hadley de Predicción e Investigación del Clima (en Exeter, Reino Unido), el Max Planck Institute for Meteorology en Hamburgo, Alemania, o el Laboratoire de Ciencias de Climanement pocos

El Programa Mundial de Investigación del Clima (WCRP), organizado por la Organización Meteorológica Mundial (OMM), coordina las actividades de investigación sobre modelado climático en todo el mundo.

Un informe del Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. de 2012 analizó cómo la gran y diversa empresa de modelado climático de EE. UU. podría evolucionar para volverse más unificada. Se podrían obtener eficiencias mediante el desarrollo de una infraestructura de software común compartida por todos los investigadores climáticos de EE. UU. y la celebración de un foro anual de modelado climático, según el informe.

Modelos climáticos en la web

• Dapper/DChart — plot and download model data referenced by the Fourth Assessment Report (AR4) of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (Ya no está disponible)
• NCAR/UCAR Community Climate System Model (CCSM)
• Hazlo tú misma predicción climática
• GCM de investigación primaria desarrollada por NASA/GISS (Goddard Institute for Space Studies)
• Original NASA/GISS modelo climático global (GCM) con una interfaz fácil de usar para PCs y Macs
• Información e interfaz del modelo CCCma para recuperar datos del modelo
• NOAA/Geofísica Fluid Dynamics Laboratory CM2 global climate model info and model output data files
• Seco idealizado AGCM basado en arriba GFDL CM2
• Modelo de una atmósfera húmeda idealizada (MiMA): basado en GFDL CM2. Complejidad entre los modelos secos y los GCM completos
• University of Victoria Global climate model, free for download. El investigador principal fue autor de un informe del IPCC sobre el cambio climático.
• vimeo.com/user12523377/videos Visualizaciones de modelos climáticos de ETH Zurich
• Modelo climático empírico archivado 24 marzo 2019 en la máquina Wayback