Modèles de circulation générale et modèles du système Terre

Les modèles numériques complets qui simulent l'atmosphère, l'océan, la terre et la glace couplés, de plus en plus étendus au cycle du carbone et à la biogéochimie.

Definition

Un modèle de circulation générale simule la circulation à grande échelle et le climat de l'atmosphère et de l'océan en résolvant numériquement les équations physiques régissant ces phénomènes sur une grille globale, et un modèle du système Terre étend cela en incluant de manière interactive des composantes biogéochimiques telles que le cycle du carbone.

Scope

Ce sujet couvre les modèles climatiques les plus complets : les modèles de circulation générale atmosphère-océan qui résolvent les équations du mouvement des fluides et de la thermodynamique sur une grille globale, et les modèles du système Terre qui ajoutent des composantes interactives pour le carbone, la chimie, la végétation et les calottes glaciaires. Il aborde leurs cœurs dynamiques, le couplage des composantes, la paramétrisation des processus sous-maille, les compromis entre résolution et complexité, ainsi que les exigences computationnelles pour leur exécution.

Core questions

• Comment les modèles de circulation générale résolvent-ils les équations de l'atmosphère et de l'océan ?
• Comment les composantes sont-elles couplées pour former un modèle unique du système Terre ?
• Qu'est-ce qui est gagné et perdu en ajoutant de la complexité par rapport à la résolution ?
• Quels choix computationnels et structurels façonnent le comportement des modèles ?

Key theories

Cœur dynamique à équations primitives

Les modèles de circulation générale intègrent les équations primitives, des formes simplifiées des lois de la dynamique des fluides et de la thermodynamique, pour simuler la circulation tridimensionnelle évolutive de l'atmosphère et de l'océan.

Représentation couplée du système Terre

Les modèles du système Terre couplent les composantes physiques du climat avec le carbone, la chimie et la végétation interactifs, de sorte que les rétroactions entre elles, telles que les rétroactions du cycle du carbone, émergent de la simulation.

Mechanisms

Un cœur dynamique fait progresser les équations primitives sur une grille globale pour calculer les vents, les températures et les courants, tandis que les modules physiques paramétrisent le rayonnement, les nuages, la convection et les échanges de surface. Les composantes atmosphère, océan, glace de mer et terre sont couplées de manière à échanger des flux d'énergie, d'eau et de quantité de mouvement, et les modèles du système Terre simulent en outre le carbone, la chimie et la végétation, de sorte que des rétroactions biogéochimiques émergent de manière interactive, le tout à un coût computationnel substantiel.

Clinical relevance

Ces modèles sont les outils essentiels pour projeter le climat futur, simuler les climats passés et exécuter les expériences coordonnées qui sous-tendent les évaluations du GIEC et la planification climatique nationale.

History

Les premiers modèles de circulation générale sont apparus dans des institutions telles que le Geophysical Fluid Dynamics Laboratory de Princeton dans les années 1960. Manabe et Wetherald ont produit la première expérience tridimensionnelle de doublement du dioxyde de carbone en 1975, et les décennies suivantes ont ajouté des océans couplés, la glace de mer, et finalement le cycle du carbone interactif des modèles modernes du système Terre.

Debates

Résolution versus complexité

La question de savoir si les ressources de calcul limitées doivent être consacrées à une résolution plus élevée pour résoudre les nuages et les tourbillons ou à l'ajout de composantes du système Terre est un débat stratégique continu dans le développement des modèles.

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre un MCG et un modèle du système Terre ?

Un modèle de circulation générale simule l'atmosphère et l'océan physiques, tandis qu'un modèle du système Terre ajoute des composantes interactives telles que le cycle du carbone, la chimie et la végétation.

Pourquoi les modèles climatiques ont-ils besoin de supercalculateurs ?

Ils résolvent les équations physiques sur des millions de points de grille et de nombreux pas de temps sur de longues simulations, ce qui nécessite une puissance de calcul énorme, en particulier à haute résolution.