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Este artículo trata sobre las teorías y las matemáticas del modelado climático. Para la predicción del clima de la Tierra impulsada por computadora, consulte Modelo de circulación general .
Para una cobertura más amplia de este tema, consulte Modelo atmosférico .
Los modelos climáticos son sistemas de ecuaciones diferenciales basados ​​en las leyes básicas de la física , el movimiento de fluidos y la química . Para "ejecutar" un modelo, los científicos dividen el planeta en una cuadrícula tridimensional, aplican las ecuaciones básicas y evalúan los resultados. Los modelos atmosféricos calculan los vientos , la transferencia de calor , la radiación , la humedad relativa y la hidrología superficial dentro de cada cuadrícula y evalúan las interacciones con los puntos vecinos.

Los modelos climáticos numéricos utilizan métodos cuantitativos para simular las interacciones de los impulsores importantes del clima, incluida 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 parte descriptivas, de posibles futuros. [1]

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

Los modelos cuantitativos varían en complejidad:

Modelos de caja [ editar ]

Esquema de un modelo de caja simple utilizado para ilustrar los flujos en los ciclos geoquímicos, que muestra una fuente (Q) , un sumidero (S) y un 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 están mezcladas de forma homogénea. Dentro de una caja dada, la concentración de cualquier especie química es, por 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 simple, es decir, el modelo de caja con un número pequeño de cajas cuyas propiedades (por ejemplo, su volumen) no cambian con el tiempo, a menudo son útiles para derivar fórmulas analíticas que describen la dinámica y la abundancia en estado estacionario de una especie. Los modelos de caja más complejos suelen resolverse mediante técnicas numéricas.

Los modelos de caja se utilizan ampliamente para modelar sistemas ambientales o ecosistemas y en estudios de la circulación oceánica y el ciclo del carbono . [2] Son ejemplos de un modelo multicompartimental .

Modelos de dimensión cero [ editar ]

Un modelo muy simple del equilibrio radiativo de la Tierra es

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 de Stefan-Boltzmann asumiendo una temperatura ficticia del modelo, T , a veces llamada la 'temperatura de equilibrio de la Tierra', que se encuentra,

y

  • S es la constante solar , la radiación solar entrante por unidad de área, aproximadamente 1367 W · m −2
  • es el albedo promedio de la Tierra , medido en 0.3. [3] [4]
  • r es el radio de la Tierra, aproximadamente 6,371 × 10 6 m
  • π es la constante matemática (3.141 ...)
  • es la constante de Stefan-Boltzmann —aproximadamente 5,67 × 10 −8 J · K −4 · m −2 · s −1
  • es la emisividad efectiva de la tierra, aproximadamente 0,612

La constante πr 2 se puede factorizar, dando

Resolviendo la temperatura,

Esto produce una temperatura media aparente efectiva de la tierra de 288  K (15  ° C ; 59  ° F ). [5] Esto se debe a que la ecuación anterior representa la temperatura radiativa efectiva de la Tierra (incluidas las nubes y la atmósfera).

Este modelo muy simple es bastante instructivo. Por ejemplo, determina fácilmente el efecto sobre la temperatura promedio de la tierra de los cambios en la constante solar o el cambio de albedo o emisividad terrestre efectiva.

La emisividad media 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 [6] [7] (a excepción de algunas pequeñas áreas desérticas 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 aproximadamente 0,5 [8] (que debe reducirse en la cuarta potencia de la relación entre la temperatura absoluta de las nubes y la temperatura absoluta promedio de la tierra) y una temperatura promedio de las nubes. de aproximadamente 258 K (-15 ° C; 5 ° F). [9] Teniendo todo esto en cuenta correctamente, se obtiene una emisividad terrestre efectiva de aproximadamente 0,64 (temperatura promedio de la tierra 285 K (12 ° C; 53 ° F)).

Este modelo simple determina fácilmente el efecto de los cambios en la producción solar o el cambio del albedo terrestre o la emisividad terrestre efectiva sobre la temperatura promedio de la tierra. Sin embargo, no dice nada sobre lo que podría causar que estas cosas cambien. Los modelos de dimensión cero no abordan la distribución de la temperatura en la tierra o los factores que mueven la energía alrededor de la tierra.

Modelos radiativos-convectivos [ editar ]

El modelo de dimensión cero anterior, utilizando la constante solar y la temperatura promedio de la tierra 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 ascendente y descendente 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-convectivos tienen ventajas sobre el modelo simple: pueden determinar los efectos de las concentraciones variables de gases de efecto invernadero sobre la emisividad efectiva y, por lo tanto, la temperatura de la superficie. Pero se necesitan parámetros adicionales para determinar la emisividad local y el albedo y abordar los factores que mueven la energía por la tierra.

Efecto de la retroalimentación del albedo del hielo sobre la sensibilidad global en un modelo climático radiativo-convectivo unidimensional. [10] [11] [12]

Modelos de mayor dimensión [ editar ]

El modelo de dimensión cero puede ampliarse 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 caliente), pero la falta de una verdadera dinámica significa que se deben especificar los transportes horizontales. [13]

EMIC (modelos del sistema terrestre de complejidad intermedia) [ editar ]

Artículo principal: Modelo de sistemas terrestres de complejidad intermedia

Dependiendo de la naturaleza de las preguntas formuladas y de 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 mayor resolución espacial y temporal 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. [14]

GCM (modelos climáticos globales o modelos de circulación general) [ editar ]

Artículo principal: Modelo de circulación general

Los modelos de circulación general (GCM) discretizan 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 de frontera. Los GCM acoplados atmósfera-océano (AOGCM, por ejemplo, HadCM3 , EdGCM , GFDL CM2.X , ARPEGE-Climat) [15] combinan los dos modelos. El primer modelo climático de circulación general que combinó procesos oceánicos y atmosféricos fue desarrollado a fines de la década de 1960 en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos de la NOAA [16]. 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 estar acoplados a modelos de otros procesos, como elciclo del carbono , para modelar mejor los efectos de retroalimentación. Estos modelos de sistemas múltiples integrados a veces se denominan "modelos del sistema terrestre" o "modelos climáticos globales".

Investigación y desarrollo [ editar ]

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 relevantes incluyen ciencias atmosféricas, meteorología, climatología y geografía.
  • Laboratorios de investigación nacionales e internacionales. Los ejemplos incluyen el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR, en Boulder, Colorado , EE. UU.), El Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL, en Princeton, Nueva Jersey , EE. UU.), El Laboratorio Nacional de Los Alamos , el Centro Hadley para la Predicción e Investigación del Clima ( en Exeter , Reino Unido), el Instituto Max Planck de Meteorología en Hamburgo, Alemania, o el Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), Francia, por nombrar solo algunos.

El Programa Mundial de Investigaciones Climáticas (PMIC), organizado por la Organización Meteorológica Mundial (OMM), coordina las actividades de investigación sobre modelos climáticos en todo el mundo.

Un informe del Consejo Nacional de Investigación de los EE. UU. De 2012 analizó cómo la empresa de modelos climáticos de EE. UU. Grande y diversa podría evolucionar para volverse más unificada. [17] 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 modelos climáticos, según el informe. [18]

Ver también [ editar ]

  • Reanálisis atmosférico
  • Modelo de circulación general
  • Medición de radiación atmosférica (ARM) (en EE. UU.)
  • Climateprediction.net
  • GFDL CM2.X
  • GO-ESSP
  • Predicción numérica del tiempo
  • Modelo atmosférico estático
  • Modelo de predicción de ciclones tropicales
  • Verificación y validación de modelos de simulación por computadora
  • Modelo de hielo marino CICE

Modelos climáticos en la web [ editar ]

  • Dapper / DChart : trace y descargue los datos del modelo a los que hace referencia el Cuarto Informe de Evaluación (AR4) del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático . (Ya no está disponible)
  • Modelo de Sistema Climático Comunitario NCAR / UCAR (CCSM)
  • Hágalo usted mismo predicción del clima
  • GCM de investigación primaria desarrollado por NASA / GISS (Instituto Goddard de Estudios Espaciales)
  • Modelo climático global (GCM) original de NASA / GISS con una interfaz fácil de usar para PC y Mac
  • Información e interfaz del modelo CCCma para recuperar datos del modelo
  • NOAA / Laboratorio de dinámica de fluidos geofísicos Archivos de datos de salida del modelo e información del modelo climático global CM2
  • AGCM seco idealizado basado en GFDL CM2 anterior [19]
  • Modelo de atmósfera húmeda idealizada (MiMA) : basado en GFDL CM2. Complejidad entre modelos secos y MCG completos [20]
  • Modelo climático global de la Universidad de Victoria , descarga gratuita. El investigador principal fue un autor colaborador de un informe del IPCC sobre el cambio climático.
  • vimeo.com/user12523377/videos Visualizaciones de modelos climáticos de ETH Zurich
  • Modelo climático empírico Archivado el 24 de marzo de 2019 en la Wayback Machine.

Referencias [ editar ]

  1. ^ IPCC (2014). "Informe de síntesis AR5 - Cambio climático 2014. Contribución de los Grupos de Trabajo I, II y III al Quinto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático" (PDF) : 58. Recuadro 2.3. Los 'modelos' son típicamente simulaciones numéricas de sistemas del mundo real, calibrados y validados usando observaciones de experimentos o analogías, y luego ejecutados usando datos de entrada que representan el clima futuro. Los modelos también pueden incluir narrativas en gran parte descriptivas de posibles futuros, como las que se utilizan en la construcción de escenarios. Los modelos cuantitativos y descriptivos a menudo se utilizan juntos. Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  2. ^ Sarmiento, JL; Toggweiler, JR (1984). "Un nuevo modelo para el papel de los océanos en la determinación de P CO 2 atmosférico". Naturaleza . 308 (5960): 621–24. Código Bibliográfico : 1984Natur.308..621S . doi : 10.1038 / 308621a0 .
  3. ^ Goode, PR; et al. (2001). "Observaciones del brillo de la Tierra de la reflectancia de la Tierra" (PDF) . Geophys. Res. Lett . 28 (9): 1671–4. Código Bibliográfico : 2001GeoRL..28.1671G . doi : 10.1029 / 2000GL012580 .
  4. ^ "Los científicos ven el lado oscuro de la luna para monitorear el clima de la Tierra" . Unión Geofísica Americana . 17 de abril de 2001.
  5. ^ [1] Archivado el 18 de febrero de 2013 en Wayback Machine.
  6. ^ "Muestras de agua de mar - Emisividades" . ucsb.edu .
  7. ^ Jin M, Liang S (15 de junio de 2006). "Un parámetro mejorado de emisividad de la superficie terrestre para los modelos de la superficie terrestre que utilizan observaciones de teledetección globales" (PDF) . J. Clima . 19 (12): 2867–81. Código Bibliográfico : 2006JCli ... 19.2867J . doi : 10.1175 / JCLI3720.1 .
  8. ^ TR Shippert; SA Clough; PD Brown; WL Smith; RO Knuteson; SA Ackerman. "Emisividades de nubes espectrales de LBLRTM / AERI QME" (PDF) . Actas de la Octava Reunión del Equipo Científico de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) de marzo de 1998 Tucson, Arizona .
  9. ^ AG Gorelik; V. Sterljadkin; E. Kadygrov; A. Koldaev. "Radiometría de microondas e infrarrojos para la estimación del equilibrio de radiación atmosférica y la formación de hielo marino" (PDF) . Actas de la undécima reunión del equipo científico de medición de radiación atmosférica (ARM), marzo de 2001, Atlanta, Georgia .
  10. ^ "Pubs.GISS: Wang y Stone 1980: Efecto de la retroalimentación del albedo del hielo sobre la sensibilidad global en una dimensión ..." nasa.gov . [ enlace muerto permanente ]
  11. ^ Wang, WC; PH Stone (1980). "Efecto de la retroalimentación de hielo-albedo sobre la sensibilidad global en un modelo de clima radiativo-convectivo unidimensional" . J. Atmos. Sci . 37 (3): 545–52. Código bibliográfico : 1980JAtS ... 37..545W . doi : 10.1175 / 1520-0469 (1980) 037 <0545: EOIAFO> 2.0.CO; 2 . Consultado el 22 de abril de 2010 .[ enlace muerto permanente ]
  12. ^ "Cambio climático 2001: la base científica" . grida.no . Archivado desde el original el 25 de marzo de 2003.
  13. ^ "Modelos de equilibrio energético" . shodor.org .
  14. ^ "emics1" . pik-potsdam.de .
  15. ^ [2] Archivado el 27 de septiembre de 2007 en la Wayback Machine.
  16. ^ "NOAA 200th Top Tens: avances: el primer modelo climático" . noaa.gov .
  17. ^ "Informe del Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos, una estrategia nacional para promover el modelado climático " . Archivado desde el original el 3 de octubre de 2012 . Consultado el 18 de enero de 2021 .
  18. ^ "Informe resumido del Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos, una estrategia nacional para promover el modelado climático " . Archivado desde el original el 18 de octubre de 2012 . Consultado el 3 de octubre de 2012 .
  19. ^ M. Jucker, S. Fueglistaler y GK Vallis "Calentamientos repentinos estratosféricos en un GCM idealizado". Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas 2014 119 (19) 11,054-11,064; doi : 10.1002 / 2014JD022170
  20. ^ M. Jucker y EP Gerber: "Desenredar el ciclo anual de la capa de la tropopausa tropical con un modelo húmedo idealizado". Journal of Climate 2017 30 (18) 7339-7358; doi : 10.1175 / JCLI-D-17-0127.1

Bibliografía [ editar ]

  • Roulstone, Ian; Norbury, John (2013). Invisible in the Storm: el papel de las matemáticas en la comprensión del clima . Prensa de la Universidad de Princeton.

Enlaces externos [ editar ]

  • Proyecto de intercomparación de modelos acoplados
  • Sobre las retroalimentaciones radiativas y dinámicas sobre la lengua fría del Pacífico ecuatorial
  • Cálculos básicos de radiación : el descubrimiento del calentamiento global
  • Henderson-Sellers, A .; Robinson, PJ (1999). Climatología contemporánea . Nueva York: Longman. ISBN 978-0-582-27631-4. Archivado desde el original el 28 de septiembre de 2007.
  • El clima de modelado 101 página web por el Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos - Este sitio es una cartilla sobre cómo los modelos de clima laboral. La información se basa en informes de consenso de expertos de la Junta de Ciencias Atmosféricas y Clima del Consejo Nacional de Investigación de EE. UU . El más reciente es A National Strategy for Advancing Climate Modelling Archivado el 3 de octubre de 2012 en Wayback Machine .
  • Por qué son importantes los resultados de la próxima generación de modelos climáticos CarbonBrief, Post invitado de Belcher, Boucher, Sutton, 21 de marzo de 2019