Allgemeine Zirkulations- und Erdsystemmodelle

Die umfassenden numerischen Modelle, die die gekoppelte Atmosphäre, den Ozean, das Land und das Eis simulieren und zunehmend auf den Kohlenstoffkreislauf und die Biogeochemie ausgedehnt werden.

Definition

Ein allgemeines Zirkulationsmodell simuliert die großräumige Zirkulation und das Klima der Atmosphäre und des Ozeans, indem es die maßgebenden physikalischen Gleichungen auf einem globalen Gitter numerisch löst, und ein Erdsystemmodell erweitert dies durch die interaktive Einbeziehung biogeochemischer Komponenten wie des Kohlenstoffkreislaufs.

Scope

Dieses Thema behandelt die umfassendsten Klimamodelle: allgemeine Zirkulationsmodelle für Atmosphäre und Ozean, die die Gleichungen der Flüssigkeitsbewegung und Thermodynamik auf einem globalen Gitter lösen, und Erdsystemmodelle, die interaktive Kohlenstoff-, Chemie-, Vegetations- und Eisschildkomponenten hinzufügen. Es behandelt ihre dynamischen Kerne, die Kopplung von Komponenten, die Parametrisierung von Subgitterprozessen, die Kompromisse zwischen Auflösung und Komplexität sowie die rechnerischen Anforderungen an ihren Betrieb.

Core questions

• Wie lösen allgemeine Zirkulationsmodelle die Gleichungen der Atmosphäre und des Ozeans?
• Wie werden die Komponenten zu einem einzigen Erdsystemmodell gekoppelt?
• Was wird durch das Hinzufügen von Komplexität gegenüber Auflösung gewonnen und verloren?
• Welche rechnerischen und strukturellen Entscheidungen prägen das Modellverhalten?

Key theories

Dynamischer Kern mit primitiven Gleichungen

Allgemeine Zirkulationsmodelle integrieren die primitiven Gleichungen, vereinfachte Formen der fluiddynamischen und thermodynamischen Gesetze, um die sich entwickelnde dreidimensionale Zirkulation der Atmosphäre und des Ozeans zu simulieren.

Gekoppelte Erdsystemdarstellung

Erdsystemmodelle koppeln physikalische Klimakomponenten mit interaktivem Kohlenstoff, Chemie und Vegetation, sodass Rückkopplungen zwischen ihnen, wie z. B. Kohlenstoffkreislauf-Rückkopplungen, aus der Simulation hervorgehen.

Mechanisms

Ein dynamischer Kern entwickelt die primitiven Gleichungen auf einem globalen Gitter weiter, um Winde, Temperaturen und Strömungen zu berechnen, während Physikmodule Strahlung, Wolken, Konvektion und Oberflächenaustausch parametrisieren. Die Komponenten Atmosphäre, Ozean, Meereis und Land sind gekoppelt, sodass sie Energie-, Wasser- und Impulsflüsse austauschen, und Erdsystemmodelle simulieren zusätzlich Kohlenstoff, Chemie und Vegetation, sodass biogeochemische Rückkopplungen interaktiv entstehen, alles zu erheblichen Rechenkosten.

Clinical relevance

Diese Modelle sind die Arbeitspferde für die Projektion zukünftiger Klimata, die Simulation vergangener Klimata und die Durchführung der koordinierten Experimente, die den IPCC-Bewertungen und der nationalen Klimaplanung zugrunde liegen.

History

Die ersten allgemeinen Zirkulationsmodelle entstanden in den 1960er Jahren an Institutionen wie dem Geophysical Fluid Dynamics Laboratory in Princeton. Manabe und Wetherald führten 1975 das erste dreidimensionale Kohlenstoffdioxid-Verdopplungsexperiment durch, und in den folgenden Jahrzehnten wurden gekoppelte Ozeane, Meereis und schließlich der interaktive Kohlenstoffkreislauf moderner Erdsystemmodelle hinzugefügt.

Debates

Auflösung versus Komplexität

Ob begrenzte Rechenleistung besser für eine höhere Auflösung zur Auflösung von Wolken und Wirbeln oder für das Hinzufügen von Erdsystemkomponenten eingesetzt wird, ist eine fortlaufende strategische Debatte in der Modellentwicklung.

Key figures

• Syukuro Manabe
• Warren Washington
• Akio Arakawa
• Joseph Smagorinsky

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem GCM und einem Erdsystemmodell?

Ein allgemeines Zirkulationsmodell simuliert die physikalische Atmosphäre und den Ozean, während ein Erdsystemmodell interaktive Komponenten wie den Kohlenstoffkreislauf, die Chemie und die Vegetation hinzufügt.

Warum benötigen Klimamodelle Supercomputer?

Sie lösen die physikalischen Gleichungen an Millionen von Gitterpunkten und über viele Zeitschritte in langen Simulationen, was insbesondere bei hoher Auflösung eine enorme Rechenleistung erfordert.