Modele climatice

Un model climatic este o reprezentare a anumitor aspecte ale sistemului climatic. Unul dintre cele mai simple modele climatice este un model de echilibru energetic, care tratează pământul ca pe o suprafață plană cu un strat de atmosferă deasupra sa. Se bazează pe principiul simplu că, în echilibru, radiațiile de intrare și de ieșire trebuie să fie egale (a se vedea Dessler 2011, capitolele 3–6, pentru o discuție despre astfel de modele). Acest model poate fi dezvoltat în continuare prin împărțirea pământului în zone, permițând transferul de energie între zone sau prin descrierea unui profil vertical al caracteristicilor atmosferice. În ciuda simplității lor, aceste modele oferă o bună înțelegere calitativă a efectului de seră.

Știința modernă a climei își propune să construiască modele care să integreze cât mai mult posibil din știința cunoscută (pentru o introducere în modelarea climatică, vezi McGuffie și Henderson-Sellers 2005). De obicei, acest lucru se realizează prin împărțirea pământului (atât atmosfera, cât și oceanul) în celule grilă. La momentul redactării acestui articol, modelele climatice globale de ultimă generație aveau o scară de grilă orizontală de aproximativ 150 km. Procesele climatice pot fi apoi conceptualizate ca fluxuri de cantități fizice, cum ar fi căldura sau vaporii, de la o celulă la alta. Aceste debite sunt descrise matematic prin ecuații dinamice fluide. Aceste ecuații formează „nucleul dinamic” al unui model de circulație globală (GCM). Ecuațiile sunt de obicei insolubile cu metode analitice și sunt folosite computere puternice pentru a le rezolva. Din acest motiv, ele sunt adesea denumite „modele de simulare”. Pentru a rezolva ecuațiile numeric, timpul este discretizat. Simulările actuale de ultimă generație folosesc pași de timp de aproximativ 30 de minute, luând săptămâni sau luni în timp real pe supercalculatoare pentru a simula un secol de evoluție a climei.

Pentru a calcula o singură evoluție ipotetică a sistemului climatic (un „model de rulare”), avem nevoie și de condiții inițiale și condiții la limită. Primele sunt o descriere matematică a stării sistemului climatic (proiectată în domeniul propriu al modelului climatic) la începutul perioadei de simulare. Cele din urmă sunt valori pentru orice variabile care afectează sistemul, dar care nu sunt transmise direct de calcule. Acestea includ, de exemplu, concentrația de gaze cu efect de seră în atmosferă la un moment dat, cantitatea de aerosoli și rata radiației solare primite de pământ. Deoarece aceștia sunt factorii de schimbare a climei, ele sunt adesea denumite forțe externe sau condiții externe. Diferite modele consideră diferite cantități fizice drept condiții limită. De exemplu, în unele modele, concentrația atmosferică de dioxid de carbon este setată să urmeze o cale predeterminată (și, prin urmare, este tratată ca o condiție de limită externă), în timp ce alte modele simulează direct ciclul carbonului (și, prin urmare, îl consideră ca o variabilă internă dinamică). Un timp de simulare mai rapid poate fi obținut prin „dezactivarea” aspectelor unui model complex, de exemplu înlocuirea unei circulații interactive oceanice cu temperaturile prescrise ale suprafeței mării.

Procesele care apar la o scară mai mică decât pot fi rezolvate de grilă pot fi incluse prin parametrizare, prin care efectul net al procesului este calculat separat în funcție de variabilele grilei. De exemplu, formarea norilor este un proces fizic care nu poate fi simulat direct, deoarece norii tipici sunt mult mai mici decât grila. Deci, efectul net al norilor este de obicei parametrizat (în funcție de temperatură, umiditate etc.) în fiecare celulă a rețelei și reintrodus în calcul. Procesele sub-grilă sunt una dintre principalele surse de incertitudine în modelele climatice.

În prezent, există aproximativ 20 de modele climatice complexe, care sunt în curs de dezvoltare continuă de către centrele naționale de modelare precum NASA, Biroul Meteorologic al Marii Britanii și Centrul Climatic din Beijing. Pentru a putea compara rezultatele acestor modele diferite, Proiectul de intercomparare a modelelor cuplate (CMIP) definește o suită de experimente standard care urmează să fie desfășurate pentru fiecare model climatic. Un experiment standard este de a rula fiecare model folosind forțele istorice experimentate în timpul secolului al XX-lea, astfel încât rezultatul să poată fi comparat direct cu datele reale ale sistemului climatic. Capitolul 9 din cel mai recent raport al Grupului de lucru I al IPCC discută modelul de evaluare în detaliu (IPCC 2013).

Modelele pot fi folosite în diferite utilizări. De exemplu, rezultatele simulării pot fi utilizate fie pentru a dezvolta o perspectivă fizică despre sistem prin comparație cu realitatea, sau pentru a face proiecții ale climatului viitor (a se vedea Held 2005 pentru o discuție a acestui contrast; a se vedea Schmidt și Sherwood 2015 pentru punctul de vedere al unui practician privind modelarea climatică). „Proiecție” este un termen tehnic în literatura de modelare a climei și se referă la o prognoză care este condiționată de un anumit scenariu de forțare. Scenariul este specificat de modificările forțării radiative totale, care depind în principal de cantitatea de emisii de gaze cu efect de seră și de aerosoli adăugați în atmosferă, dar și de procesele naturale, activitatea solară și schimbarea utilizării terenului. Aspectele umane ale acestor factori contributivi depind de alți factori, cum ar fi evoluțiile socioeconomice, politice și tehnologice. Rețineți că utilizarea scenariilor în cercetarea climatică este în curs de dezvoltare, cu o schimbare de la scenarii de emisii la scenarii de forțare între AR4 și AR5 și se deplasează acum în curs către noi Căi Socio-Economice Partajate, care au detalii mai mari și mai consistente ale schimbărilor socioeconomice. (O’Neill et al. 2014).

Scenariul de forță este specificat de cantitatea de emisii de gaze cu efect de seră și de aerosoli adăugate în atmosferă, iar aceștia depind, la rândul lor, de un număr de alți factori, cum ar fi schimbările în utilizarea terenurilor, precum și evoluțiile socioeconomice și tehnologice viitoare. Sarcina esențială a politicii climatice este de a compara aceste previziuni și de a decide ce acțiuni trebuie întreprinse. Incertitudinea cu privire la impacturile climatice legate de un anumit scenariu de forțare derivă din diferitele reprezentări ale climei în cadrul diferitelor modele.

Bibliografie

• Dessler, A. Introduction to Modern Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.
• Held, I. M. ‘The Gap Between Simulation and Understanding in Climate Modeling.’ Bulletin of the American Meteorological Society 80 (2005): 1609-1614.
• IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Eds.T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S. K. Allen,J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, and P. M. Midgley. Cambridge and New York: Cambridge University Press, 2013.
• McGuffie, K. and A. Henderson-Sellers. A Climate Modelling Primer. New Jersey: Wiley, 2005.
• O’Neill, B. C., E. Kriegler, K. Riahi, K. L. Ebi, S. Hallegatte, T. R. Carter, R. Mathur, and D. P. van Vuuren. ‘A new Scenario Framework for Climate Change Research: The Concept of Shared Socioeconomic Reference Pathways.’
• Schmidt, G. and S. Sherwood. ‘A Practical Philosophy of Complex Climate Modelling.’ European Journal for Philosophy of Science 5.2 (2015): 149-169.

Sursa: Roman Frigg, Erica Thompson și Charlotte Werndl (2015). Philosophy of Climate Science Part II: Modelling Climate Change, Philosophy Compass 10/12 (2015): 965–977, 10.1111/phc3.12297, licența CC BY 4. Traducere și adaptare Nicolae Sfetcu