大気大循環モデルと地球システムモデル

結合した大気、海洋、陸、氷をシミュレートする包括的な数値モデルであり、炭素循環と生物地球化学へと拡張されつつある。

Definition

大気大循環モデルは、地球規模のグリッド上で支配的な物理方程式を数値的に解くことにより、大気と海洋の大規模な循環と気候をシミュレートするものであり、地球システムモデルは、炭素循環などの生物地球化学的要素を相互作用的に含めることでこれを拡張したものである。

Scope

このトピックでは、最も包括的な気候モデルについて扱います。流体運動と熱力学の法則を地球規模のグリッド上で解く大気海洋大循環モデルと、相互作用する炭素、化学、植生、氷床の要素を追加した地球システムモデルです。これらのモデルの力学コア、構成要素の結合、サブグリッドプロセスのパラメーター化、解像度と複雑さのトレードオフ、およびそれらの実行に必要な計算要件について論じます。

Core questions

• 大気大循環モデルは、大気と海洋の方程式をどのように解くのか？
• コンポーネントはどのように単一の地球システムモデルに結合されるのか？
• 複雑さを増すことと解像度を上げることによって、何が得られ、何が失われるのか？
• どのような計算上および構造上の選択がモデルの挙動を形作るのか？

Key theories

原始方程式力学コア

大気大循環モデルは、流体力学的および熱力学的法則の簡略化された形式である原始方程式を統合し、大気と海洋の進化する三次元循環をシミュレートする。

結合された地球システム表現

地球システムモデルは、物理的な気候コンポーネントと相互作用する炭素、化学、植生を結合し、炭素循環フィードバックなどのそれらの間のフィードバックがシミュレーションから現れるようにする。

Mechanisms

力学コアは、原始方程式を地球規模のグリッド上で進め、風、気温、海流を計算する一方、物理モジュールは放射、雲、対流、表面交換をパラメーター化します。大気、海洋、海氷、陸の各コンポーネントは結合されており、エネルギー、水、運動量のフラックスを交換します。さらに、地球システムモデルは炭素、化学、植生をシミュレートするため、生物地球化学的フィードバックが相互作用的に生じますが、これらすべてには多大な計算コストがかかります。

Clinical relevance

これらのモデルは、将来の気候予測、過去の気候シミュレーション、およびIPCC評価と各国の気候計画の基礎となる協調実験を実行するための主力ツールである。

History

最初の一般循環モデルは、1960年代にプリンストン大学の地球物理流体力学研究所などの機関で登場し、真鍋とウェザラルは1975年に最初の三次元二酸化炭素倍増実験を実施しました。その後数十年間で、結合された海洋、海氷、そして最終的には現代の地球システムモデルの相互作用的な炭素循環が追加されました。

Debates

解像度対複雑性

限られた計算資源を、雲や渦を解像するための高解像度に費やすべきか、それとも地球システムコンポーネントを追加することに費やすべきかは、モデル開発における継続的な戦略的議論である。

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

GCMと地球システムモデルの違いは何ですか？

大気大循環モデルは物理的な大気と海洋をシミュレートしますが、地球システムモデルは炭素循環、化学、植生などの相互作用するコンポーネントを追加します。

なぜ気候モデルにはスーパーコンピューターが必要なのですか？

それらは、数百万のグリッド点と多数のタイムステップで、長期間のシミュレーションにわたって物理方程式を解くため、特に高解像度では膨大な計算能力を必要とします。