مدل‌های گردش عمومی و مدل‌های سامانه زمین

مدل‌های عددی جامعی که جو، اقیانوس، خشکی و یخ را به صورت کوپل شده شبیه‌سازی می‌کنند و به طور فزاینده‌ای به چرخه کربن و بیوژئوشیمی گسترش یافته‌اند.

Definition

یک مدل گردش عمومی، گردش در مقیاس بزرگ و اقلیم جو و اقیانوس را با حل عددی معادلات فیزیکی حاکم بر روی یک شبکه جهانی شبیه‌سازی می‌کند، و یک مدل سامانه زمین این را با گنجاندن تعاملی اجزای بیوژئوشیمیایی مانند چرخه کربن گسترش می‌دهد.

Scope

این موضوع جامع‌ترین مدل‌های اقلیمی را پوشش می‌دهد: مدل‌های گردش عمومی جو-اقیانوس که معادلات حرکت سیال و ترمودینامیک را در یک شبکه جهانی حل می‌کنند، و مدل‌های سامانه زمین که اجزای تعاملی کربن، شیمی، پوشش گیاهی و صفحات یخی را اضافه می‌کنند. این مدل‌ها هسته‌های دینامیکی، کوپلینگ اجزا، پارامتری‌سازی فرآیندهای زیرشبکه‌ای، مبادلات و مصالحه‌های وضوح و پیچیدگی، و نیازهای محاسباتی اجرای آن‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهد.

Core questions

• مدل‌های گردش عمومی چگونه معادلات جو و اقیانوس را حل می‌کنند؟
• اجزا چگونه در یک مدل واحد سامانه زمین کوپل می‌شوند؟
• با افزودن پیچیدگی در مقابل وضوح، چه چیزی به دست می‌آید و چه چیزی از دست می‌رود؟
• چه انتخاب‌های محاسباتی و ساختاری رفتار مدل را شکل می‌دهند؟

Key theories

هسته دینامیکی معادلات اولیه

مدل‌های گردش عمومی، معادلات اولیه، اشکال ساده‌شده قوانین دینامیک سیالات و ترمودینامیک را ادغام می‌کنند تا گردش سه‌بعدی در حال تکامل جو و اقیانوس را شبیه‌سازی کنند.

نمایش سامانه زمین کوپل شده

مدل‌های سامانه زمین، اجزای فیزیکی اقلیم را با کربن، شیمی و پوشش گیاهی تعاملی کوپل می‌کنند تا بازخوردهای بین آن‌ها، مانند بازخوردهای چرخه کربن، از شبیه‌سازی پدیدار شوند.

Mechanisms

یک هسته دینامیکی معادلات اولیه را در یک شبکه جهانی پیش می‌برد تا بادها، دماها و جریان‌ها را محاسبه کند، در حالی که ماژول‌های فیزیک، تابش، ابرها، همرفت و تبادلات سطحی را پارامتریزه می‌کنند. اجزای جو، اقیانوس، یخ دریا و خشکی به گونه‌ای کوپل شده‌اند که شارش‌های انرژی، آب و تکانه را مبادله می‌کنند، و مدل‌های سامانه زمین علاوه بر این، کربن، شیمی و پوشش گیاهی را شبیه‌سازی می‌کنند تا بازخوردهای بیوژئوشیمیایی به صورت تعاملی پدیدار شوند، که همه اینها با هزینه محاسباتی قابل توجهی همراه است.

Clinical relevance

این مدل‌ها ابزارهای اصلی برای پیش‌بینی اقلیم آینده، شبیه‌سازی اقلیم‌های گذشته، و اجرای آزمایش‌های هماهنگ هستند که زیربنای ارزیابی‌های IPCC و برنامه‌ریزی ملی اقلیم را تشکیل می‌دهند.

History

اولین مدل‌های گردش عمومی در موسساتی مانند آزمایشگاه دینامیک سیالات ژئوفیزیکی پرینستون در دهه ۱۹۶۰ پدیدار شدند، مانابه و ودرالد اولین آزمایش سه‌بعدی دو برابر شدن دی‌اکسید کربن را در سال ۱۹۷۵ تولید کردند، و دهه‌های متوالی اقیانوس‌های کوپل شده، یخ دریا، و در نهایت چرخه کربن تعاملی مدل‌های سامانه زمین مدرن را اضافه کردند.

Debates

وضوح در مقابل پیچیدگی

اینکه آیا توان محاسباتی محدود بهتر است صرف وضوح بالاتر برای حل ابرها و گردابه‌ها شود یا صرف افزودن اجزای سامانه زمین، یک بحث استراتژیک جاری در توسعه مدل است.

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

تفاوت بین GCM و مدل سامانه زمین چیست؟

یک مدل گردش عمومی، جو و اقیانوس فیزیکی را شبیه‌سازی می‌کند، در حالی که یک مدل سامانه زمین اجزای تعاملی مانند چرخه کربن، شیمی و پوشش گیاهی را اضافه می‌کند.

چرا مدل‌های اقلیمی به ابررایانه‌ها نیاز دارند؟

آنها معادلات فیزیکی را در میلیون‌ها نقطه شبکه و در گام‌های زمانی متعدد در طول شبیه‌سازی‌های طولانی حل می‌کنند، که به قدرت محاسباتی عظیمی، به ویژه در وضوح بالا، نیاز دارد.