Modelo de circulación general
Un modelo de circulación general (GCM) es un tipo de modelo climático. Emplea un modelo matemático de la circulación general de una atmósfera u océano planetario. Utiliza las ecuaciones de Navier-Stokes en una esfera giratoria con términos termodinámicos para varias fuentes de energía (radiación, calor latente). Estas ecuaciones son la base de los programas informáticos que se utilizan para simular la atmósfera o los océanos de la Tierra. Los GCM atmosféricos y oceánicos (AGCM y OGCM) son componentes clave junto con el hielo marino y los componentes de la superficie terrestre.
Los GCM y los modelos climáticos globales se utilizan para pronosticar el clima, comprender el clima y pronosticar el cambio climático.
Las versiones diseñadas para aplicaciones climáticas a escala de tiempo de décadas a siglos fueron creadas originalmente por Syukuro Manabe y Kirk Bryan en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL) en Princeton, Nueva Jersey. Estos modelos se basan en la integración de una variedad de ecuaciones dinámicas de fluidos, químicas y, a veces, biológicas.
Terminología
El acrónimo GCM significaba originalmente Modelo de Circulación General. Recientemente, entró en uso un segundo significado, a saber, Modelo Climático Global. Si bien estos no se refieren a lo mismo, los modelos de circulación general suelen ser las herramientas utilizadas para modelar el clima y, por lo tanto, los dos términos a veces se usan indistintamente. Sin embargo, el término "modelo climático global" es ambiguo y puede referirse a un marco integrado que incorpora múltiples componentes, incluido un modelo de circulación general, o puede referirse a la clase general de modelos climáticos que utilizan una variedad de medios para representar el clima matemáticamente.
Historia
En 1956, Norman Phillips desarrolló un modelo matemático que podía representar de forma realista patrones mensuales y estacionales en la troposfera. Se convirtió en el primer modelo climático exitoso. Siguiendo el trabajo de Phillips, varios grupos comenzaron a trabajar para crear GCM. El primero en combinar procesos oceánicos y atmosféricos se desarrolló a fines de la década de 1960 en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos de la NOAA. A principios de la década de 1980, los Estados Unidos' el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas había desarrollado el Modelo de Atmósfera Comunitaria; este modelo ha sido continuamente refinado. En 1996, comenzaron los esfuerzos para modelar tipos de suelo y vegetación. Más tarde, el modelo HadCM3 del Centro Hadley para la Predicción e Investigación del Clima acopló elementos océano-atmósfera. El papel de las ondas de gravedad se agregó a mediados de la década de 1980. Se requieren ondas de gravedad para simular circulaciones a escala regional y global con precisión.
Modelos atmosféricos y oceánicos
Los GCM atmosféricos (AGCM) y oceánicos (OGCM) se pueden acoplar para formar un modelo de circulación general acoplado atmósfera-océano (CGCM o AOGCM). Con la adición de submodelos como un modelo de hielo marino o un modelo de evapotranspiración sobre la tierra, los AOGCM se convierten en la base para un modelo climático completo.
Estructura
Los GCM tridimensionales (más propiamente tetradimensionales) aplican ecuaciones discretas para el movimiento de fluidos y las integran en el tiempo. Contienen parametrizaciones para procesos como la convección que ocurren en escalas demasiado pequeñas para ser resueltas directamente.
Un modelo de circulación general simple (SGCM) consta de un núcleo dinámico que relaciona propiedades como la temperatura con otras como la presión y la velocidad. Los ejemplos son programas que resuelven las ecuaciones primitivas, dada la entrada de energía y la disipación de energía en forma de fricción dependiente de la escala, de modo que las ondas atmosféricas con los números de onda más altos sean las más atenuadas. Dichos modelos pueden usarse para estudiar procesos atmosféricos, pero no son adecuados para proyecciones climáticas.
Los GCM atmosféricos (AGCM) modelan la atmósfera (y, por lo general, también contienen un modelo de la superficie terrestre) utilizando temperaturas de la superficie del mar (SST) impuestas. Pueden incluir química atmosférica.
Los AGCM consisten en un núcleo dinámico que integra las ecuaciones de movimiento de fluidos, típicamente para:
- presión superficial
- componentes horizontales de velocidad en capas
- temperatura y vapor de agua en capas
- radiación, dividida en onda solar/horte y onda terrestre/infrarroja/larga
- parámetros para:
- convección
- procesos de superficie terrestre
- Albedo
- hidrología
- cubierta de nube
Un GCM contiene ecuaciones de pronóstico que son una función del tiempo (por lo general, vientos, temperatura, humedad y presión superficial) junto con ecuaciones de diagnóstico que se evalúan a partir de ellas para un período de tiempo específico. Como ejemplo, la presión a cualquier altura se puede diagnosticar aplicando la ecuación hidrostática a la presión superficial pronosticada y los valores pronosticados de temperatura entre la superficie y la altura de interés. La presión se utiliza para calcular la fuerza del gradiente de presión en la ecuación dependiente del tiempo para los vientos.
Los OGCM modelan el océano (imponiendo los flujos de la atmósfera) y pueden contener un modelo de hielo marino. Por ejemplo, la resolución estándar de HadOM3 es de 1,25 grados de latitud y longitud, con 20 niveles verticales, lo que da lugar a aproximadamente 1 500 000 variables.
Los AOGCM (por ejemplo, HadCM3, GFDL CM2.X) combinan los dos submodelos. Eliminan la necesidad de especificar flujos a través de la interfaz de la superficie del océano. Estos modelos son la base para las predicciones de modelos del clima futuro, como las analizadas por el IPCC. Los AOGCM internalizan tantos procesos como sea posible. Se han utilizado para proporcionar predicciones a escala regional. Si bien los modelos más simples generalmente son susceptibles de análisis y sus resultados son más fáciles de entender, los AOGCM pueden ser casi tan difíciles de analizar como el clima mismo.
Cuadrícula
Las ecuaciones de fluidos para los AGCM se hacen discretas mediante el método de diferencias finitas o el método espectral. Para diferencias finitas, se impone una cuadrícula en la atmósfera. La cuadrícula más simple utiliza un espaciado de cuadrícula angular constante (es decir, una cuadrícula de latitud/longitud). Sin embargo, se utilizan con mayor frecuencia cuadrículas no rectangulares (por ejemplo, icosaédricas) y cuadrículas de resolución variable. El modelo LMDz se puede organizar para dar una alta resolución sobre cualquier sección dada del planeta. HadGEM1 (y otros modelos oceánicos) utilizan una cuadrícula oceánica con mayor resolución en los trópicos para ayudar a resolver los procesos que se cree que son importantes para El Niño Oscilación del Sur (ENOS). Los modelos espectrales generalmente usan una cuadrícula gaussiana, debido a las matemáticas de transformación entre el espacio espectral y el de puntos de cuadrícula. Las resoluciones típicas de AGCM están entre 1 y 5 grados de latitud o longitud: HadCM3, por ejemplo, usa 3,75 de longitud y 2,5 grados de latitud, dando una cuadrícula de 96 por 73 puntos (96 x 72 para algunas variables); y tiene 19 niveles verticales. Esto da como resultado aproximadamente 500.000 "básicos" variables, ya que cada punto de la cuadrícula tiene cuatro variables (u,v, T, Q), aunque un recuento completo daría más (nubes, niveles del suelo). HadGEM1 utiliza una cuadrícula de 1,875 grados de longitud y 1,25 de latitud en la atmósfera; HiGEM, una variante de alta resolución, utiliza 1,25 x 0,83 grados respectivamente. Estas resoluciones son más bajas que las que se usan típicamente para el pronóstico del tiempo. Las resoluciones oceánicas tienden a ser más altas, por ejemplo, HadCM3 tiene 6 puntos de cuadrícula oceánica por punto de cuadrícula atmosférica en la horizontal.
Para un modelo estándar de diferencias finitas, las líneas de cuadrícula uniformes convergen hacia los polos. Esto conduciría a inestabilidades computacionales (consulte la condición CFL) y, por lo tanto, las variables del modelo deben filtrarse a lo largo de líneas de latitud cercanas a los polos. Los modelos oceánicos también sufren este problema, a menos que se utilice una cuadrícula rotada en la que el Polo Norte se desplace hacia una masa de tierra cercana. Los modelos espectrales no sufren este problema. Algunos experimentos utilizan rejillas geodésicas y rejillas icosaédricas, que (al ser más uniformes) no tienen problemas de polos. Otro enfoque para resolver el problema del espaciado de la cuadrícula es deformar un cubo cartesiano de modo que cubra la superficie de una esfera.
Búfer de flujo
Algunas versiones anteriores de AOGCM requerían un proceso ad hoc de "corrección de flujo" para lograr un clima estable. Esto resultó de modelos oceánicos y atmosféricos preparados por separado, cada uno de los cuales usaba un flujo implícito del otro componente diferente al que ese componente podría producir. Tal modelo no pudo igualar las observaciones. Sin embargo, si se 'corregieran' los flujos, es posible que no se reconocieran los factores que condujeron a estos flujos poco realistas, lo que podría afectar la sensibilidad del modelo. Como resultado, la gran mayoría de los modelos utilizados en la ronda actual de informes del IPCC no los utilizan. Las mejoras del modelo que ahora hacen que las correcciones de flujo sean innecesarias incluyen una física oceánica mejorada, una resolución mejorada tanto en la atmósfera como en el océano, y un acoplamiento más consistente físicamente entre los submodelos de la atmósfera y el océano. Los modelos mejorados ahora mantienen simulaciones estables de varios siglos del clima superficial que se consideran de calidad suficiente para permitir su uso para proyecciones climáticas.
Convección
La convección húmeda libera calor latente y es importante para el presupuesto energético de la Tierra. La convección ocurre en una escala demasiado pequeña para ser resuelta por modelos climáticos y, por lo tanto, debe manejarse a través de parámetros. Esto se ha hecho desde la década de 1950. Akio Arakawa hizo gran parte del trabajo inicial, y todavía se utilizan variantes de su esquema, aunque ahora se utilizan una variedad de esquemas diferentes. Las nubes también se manejan típicamente con un parámetro, por una falta de escala similar. La comprensión limitada de las nubes ha limitado el éxito de esta estrategia, pero no debido a alguna deficiencia inherente del método.
Software
La mayoría de los modelos incluyen software para diagnosticar una amplia gama de variables para compararlas con las observaciones o el estudio de los procesos atmosféricos. Un ejemplo es la temperatura de 2 metros, que es la altura estándar para las observaciones de la temperatura del aire cerca de la superficie. Esta temperatura no se predice directamente a partir del modelo, sino que se deduce de las temperaturas de la superficie y de la capa más baja del modelo. Se utiliza otro software para crear tramas y animaciones.
Proyecciones
Los AOGCM acoplados utilizan simulaciones climáticas transitorias para proyectar/predecir cambios climáticos en varios escenarios. Estos pueden ser escenarios idealizados (por lo general, las emisiones de CO2 aumentan un 1 % por año) o basados en la historia reciente (por lo general, los escenarios "IS92a" o, más recientemente, SRES). Qué escenarios son más realistas sigue siendo incierto.
El tercer informe de evaluación del IPCC de 2001 La Figura 9.3 muestra la respuesta media global de 19 modelos acoplados diferentes a un experimento idealizado en el que las emisiones aumentaron un 1 % por año. La figura 9.5 muestra la respuesta de un número menor de modelos a las tendencias más recientes. Para los 7 modelos climáticos que se muestran allí, el cambio de temperatura para 2100 varía de 2 a 4,5 °C con una mediana de alrededor de 3 °C.
Los escenarios futuros no incluyen eventos desconocidos, por ejemplo, erupciones volcánicas o cambios en el forzamiento solar. Se cree que estos efectos son pequeños en comparación con el forzamiento de los gases de efecto invernadero (GEI) a largo plazo, pero las grandes erupciones volcánicas, por ejemplo, pueden ejercer un efecto de enfriamiento temporal sustancial.
Las emisiones de GEI humanas son una entrada del modelo, aunque también es posible incluir un submodelo económico/tecnológico para proporcionarlas. Los niveles de GEI atmosféricos generalmente se proporcionan como entrada, aunque es posible incluir un modelo del ciclo del carbono que refleje la vegetación y los procesos oceánicos para calcular dichos niveles.
Escenarios de emisiones
Para los seis escenarios de marcadores SRES, el IPCC (2007:7–8) dio una "mejor estimación" de aumento de la temperatura media mundial (2090-2099 en relación con el período 1980-1999) de 1,8 °C a 4,0 °C. Durante el mismo período de tiempo, el "probable" (mayor al 66 % de probabilidad, según la opinión de expertos) para estos escenarios fue de un aumento de la temperatura media global de 1,1 a 6,4 °C.
En 2008, un estudio realizó proyecciones climáticas utilizando varios escenarios de emisión. En un escenario en el que las emisiones globales comienzan a disminuir en 2010 y luego disminuyen a una tasa sostenida del 3 % por año, se pronosticó que el aumento de la temperatura promedio global probable sería de 1,7 °C por encima de los niveles preindustriales para 2050, aumentando a alrededor de 2 ° C para 2100. En una proyección diseñada para simular un futuro en el que no se hagan esfuerzos para reducir las emisiones globales, se predijo que el aumento probable de la temperatura promedio mundial sería de 5,5 °C para 2100. Se pensó que era posible un aumento de hasta 7 °C, aunque menos probable.
Otro escenario sin reducción resultó en un calentamiento medio sobre la tierra (2090–99 en relación con el período 1980–99) de 5,1 °C. Bajo el mismo escenario de emisiones pero con un modelo diferente, el calentamiento medio pronosticado fue de 4,1 °C.
Precisión del modelo
Los AOGCM internalizan tantos procesos como se comprenden suficientemente. Sin embargo, todavía están en desarrollo y persisten importantes incertidumbres. Pueden acoplarse a modelos de otros procesos en los modelos del sistema terrestre, como el ciclo del carbono, para modelar mejor las retroalimentaciones. Las simulaciones más recientes muestran "plausible" concordancia con las anomalías de temperatura medidas en los últimos 150 años, cuando son impulsadas por los cambios observados en los gases de efecto invernadero y los aerosoles. El acuerdo mejora al incluir forzamientos tanto naturales como antropogénicos.
No obstante, los modelos imperfectos pueden producir resultados útiles. Los GCM son capaces de reproducir las características generales de la temperatura global observada durante el último siglo.
Un debate sobre cómo conciliar las predicciones del modelo climático de que el calentamiento del aire superior (troposférico) debería ser mayor que el calentamiento superficial observado, algunos de los cuales parecían mostrar lo contrario, se resolvió a favor de los modelos, luego de revisiones de datos.
Los efectos de las nubes son un área importante de incertidumbre en los modelos climáticos. Las nubes tienen efectos competitivos sobre el clima. Enfrían la superficie al reflejar la luz solar en el espacio; lo calientan aumentando la cantidad de radiación infrarroja transmitida desde la atmósfera a la superficie. En el informe del IPCC de 2001, los posibles cambios en la cobertura de nubes se destacaron como una gran incertidumbre en la predicción del clima.
Los investigadores del clima de todo el mundo utilizan modelos climáticos para comprender el sistema climático. Se han publicado miles de artículos sobre estudios basados en modelos. Parte de esta investigación es mejorar los modelos.
En 2000, una comparación entre mediciones y docenas de simulaciones GCM de precipitación tropical, vapor de agua, temperatura y radiación de onda larga saliente impulsada por ENOS encontró similitud entre las mediciones y la simulación de la mayoría de los factores. Sin embargo, el cambio simulado en la precipitación fue aproximadamente un cuarto menos que lo observado. Los errores en la precipitación simulada implican errores en otros procesos, como errores en la tasa de evaporación que proporciona humedad para crear la precipitación. La otra posibilidad es que las mediciones satelitales sean erróneas. Cualquiera de los dos indica que se requiere progreso para monitorear y predecir dichos cambios.
La magnitud precisa de los futuros cambios en el clima aún es incierta; para el final del siglo XXI (2071 a 2100), para el escenario A2 de SRES, el cambio del cambio de SAT promedio global de AOGCM en comparación con 1961 a 1990 es de +3,0 °C (5,4 °F) y el rango es de +1,3 a + 4,5 °C (+2,3 a 8,1 °F).
El Quinto Informe de Evaluación del IPCC afirmó "confianza muy alta en que los modelos reproducen las características generales del aumento de la temperatura superficial media anual a escala global durante el período histórico". Sin embargo, el informe también observó que la tasa de calentamiento durante el período 1998-2012 fue más baja que la predicha por 111 de los 114 modelos climáticos del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados.
Relación con el pronóstico del tiempo
Los modelos climáticos globales que se utilizan para las proyecciones climáticas tienen una estructura similar a los modelos numéricos para la predicción del tiempo (ya menudo comparten código de computadora con ellos), pero son lógicamente distintos.
La mayoría de los pronósticos meteorológicos se realizan sobre la base de la interpretación de los resultados del modelo numérico. Dado que los pronósticos suelen ser de unos pocos días o una semana y las temperaturas de la superficie del mar cambian con relativa lentitud, estos modelos no suelen contener un modelo oceánico, sino que se basan en TSM impuestas. También requieren condiciones iniciales precisas para comenzar el pronóstico; por lo general, se toman del resultado de un pronóstico anterior, combinado con observaciones. Las predicciones meteorológicas se requieren en resoluciones temporales más altas que las proyecciones climáticas, a menudo por debajo de la hora en comparación con los promedios mensuales o anuales del clima. Sin embargo, debido a que los pronósticos meteorológicos solo cubren alrededor de 10 días, los modelos también se pueden ejecutar con resoluciones verticales y horizontales más altas que el modo climático. Actualmente, el ECMWF se ejecuta a una resolución de 9 km (5,6 mi) en lugar de la escala de 100 a 200 km (62 a 124 mi) utilizada por las ejecuciones típicas del modelo climático. A menudo, los modelos locales se ejecutan utilizando los resultados del modelo global para las condiciones de contorno, a fin de lograr una resolución local más alta: por ejemplo, Met Office ejecuta un modelo de mesoescala con una resolución de 11 km (6,8 mi) que cubre el Reino Unido, y varias agencias en los EE. UU. emplean modelos como los modelos NGM y NAM. Al igual que la mayoría de los modelos numéricos globales de predicción meteorológica, como GFS, los modelos climáticos globales suelen ser modelos espectrales en lugar de modelos de cuadrícula. Los modelos espectrales a menudo se usan para modelos globales porque algunos cálculos en el modelado se pueden realizar más rápido, lo que reduce los tiempos de ejecución.
Cálculos
Los modelos climáticos utilizan métodos cuantitativos para simular las interacciones de la atmósfera, los océanos, la superficie terrestre y el hielo.
Todos los modelos climáticos tienen en cuenta la energía entrante como radiación electromagnética de onda corta, principalmente visible e infrarroja (cercana) de onda corta, así como la energía saliente como radiación electromagnética infrarroja (lejana) de onda larga procedente de la Tierra. Cualquier desequilibrio da como resultado un cambio en la temperatura.
Los modelos más comentados de los últimos años relacionan la temperatura con las emisiones de gases de efecto invernadero. Estos modelos proyectan una tendencia ascendente en el registro de la temperatura superficial, así como un aumento más rápido de la temperatura a mayores altitudes.
Tres (o más correctamente, cuatro, ya que también se considera el tiempo) GCM dimensionales discretizan las ecuaciones para el movimiento de fluidos y la transferencia de energía y las integran a lo largo del tiempo. También contienen parametrizaciones para procesos como la convección que ocurren en escalas demasiado pequeñas para ser resueltas directamente.
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.
Los modelos varían en complejidad:
- Un modelo de transferencia de calor radiante simple trata la tierra como un solo punto y promedio de energía saliente
- Esto se puede ampliar verticalmente (modelos convectivos radicales) o horizontalmente
- Por último, los modelos climáticos globales de la atmósfera (coupled) oceánica-mareas discretan y resuelven las ecuaciones completas para la transferencia de masa y energía y el intercambio radiante.
- Los modelos de caja tratan los flujos a través y dentro de las cuencas oceánicas.
Se pueden interrelacionar otros submodelos, como el uso de la tierra, lo que permite a los investigadores predecir la interacción entre el clima y los ecosistemas.
Comparación con otros modelos climáticos
Modelos del sistema terrestre de complejidad intermedia (EMIC)
El modelo Climber-3 utiliza un modelo estadístico-dinámico de 2,5 dimensiones con una resolución de 7,5° × 22,5° y un intervalo de tiempo de 1/2 día. Un submodelo oceánico es MOM-3 (Modular Ocean Model) con una cuadrícula de 3,75° × 3,75° y 24 niveles verticales.
Modelos radiativos-convectivos (RCM)
Los modelos radiativos-convectivos unidimensionales se utilizaron para verificar los supuestos climáticos básicos en las décadas de 1980 y 1990.
Modelos del sistema terrestre
Los GCM pueden formar parte de los modelos del sistema terrestre, p. mediante el acoplamiento de modelos de capas de hielo para la dinámica de las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida, y uno o más modelos de transporte químico (CTM) para especies importantes para el clima. Por lo tanto, un modelo de transporte de la química del carbono puede permitir que un GCM prediga mejor los cambios antropogénicos en las concentraciones de dióxido de carbono. Además, este enfoque permite tener en cuenta la retroalimentación entre sistemas: p. Los modelos químico-climáticos permiten estudiar los efectos del cambio climático en el agujero de ozono.
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