대기 대순환 및 지구 시스템 모델

결합된 대기, 해양, 육지 및 얼음을 시뮬레이션하는 포괄적인 수치 모델로, 탄소 순환 및 생지화학으로 점차 확장되고 있습니다.

Definition

대순환 모델은 전 지구 격자에서 지배적인 물리 방정식을 수치적으로 풀어 대기와 해양의 대규모 순환과 기후를 시뮬레이션하며, 지구 시스템 모델은 탄소 순환과 같은 생지화학적 구성 요소를 상호작용적으로 포함함으로써 이를 확장합니다.

Scope

이 주제는 가장 포괄적인 기후 모델을 다룹니다. 즉, 전 지구 격자에서 유체 운동 및 열역학 방정식을 푸는 대기-해양 대순환 모델과 상호작용하는 탄소, 화학, 식생 및 빙상 구성 요소를 추가하는 지구 시스템 모델입니다. 이는 동역학적 핵심, 구성 요소의 결합, 하위 격자 과정의 매개변수화, 해상도와 복잡성의 상충 관계, 그리고 모델 실행에 필요한 계산 요구 사항을 다룹니다.

Core questions

• 대순환 모델은 대기와 해양의 방정식을 어떻게 푸는가?
• 구성 요소들은 단일 지구 시스템 모델로 어떻게 결합되는가?
• 복잡성을 추가하는 것과 해상도를 높이는 것 사이에서 무엇을 얻고 잃는가?
• 어떤 계산 및 구조적 선택이 모델의 행동을 형성하는가?

Key theories

원시 방정식 동역학적 핵심

대순환 모델은 유체 역학 및 열역학 법칙의 단순화된 형태인 원시 방정식을 통합하여 대기와 해양의 진화하는 3차원 순환을 시뮬레이션합니다.

결합된 지구 시스템 표현

지구 시스템 모델은 물리적 기후 구성 요소를 상호작용하는 탄소, 화학 및 식생과 결합하여 탄소 순환 피드백과 같은 구성 요소 간의 피드백이 시뮬레이션에서 나타나도록 합니다.

Mechanisms

동역학적 핵심은 전 지구 격자에서 원시 방정식을 진행시켜 바람, 온도 및 해류를 계산하는 반면, 물리 모듈은 복사, 구름, 대류 및 표면 교환을 매개변수화합니다. 대기, 해양, 해빙 및 육지 구성 요소는 에너지, 물 및 운동량의 흐름을 교환하도록 결합되며, 지구 시스템 모델은 추가적으로 탄소, 화학 및 식생을 시뮬레이션하여 생지화학적 피드백이 상호작용적으로 발생하도록 합니다. 이 모든 과정은 상당한 계산 비용을 수반합니다.

Clinical relevance

이러한 모델은 미래 기후를 예측하고, 과거 기후를 시뮬레이션하며, IPCC 평가 및 국가 기후 계획의 기반이 되는 조정된 실험을 실행하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

History

최초의 대순환 모델은 1960년대 프린스턴 지구물리유체역학연구소(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)와 같은 기관에서 등장했으며, 마나베(Manabe)와 웨더럴드(Wetherald)는 1975년에 최초의 3차원 이산화탄소 배증 실험을 수행했습니다. 이후 수십 년 동안 결합된 해양, 해빙, 그리고 현대 지구 시스템 모델의 상호작용하는 탄소 순환이 추가되었습니다.

Debates

해상도 대 복잡성

제한된 컴퓨팅 자원을 구름과 와류를 해결하기 위한 더 높은 해상도에 사용할 것인지, 아니면 지구 시스템 구성 요소를 추가하는 데 사용할 것인지는 모델 개발에서 지속적인 전략적 논쟁입니다.

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

GCM과 지구 시스템 모델의 차이점은 무엇인가요?

대순환 모델은 물리적 대기와 해양을 시뮬레이션하는 반면, 지구 시스템 모델은 탄소 순환, 화학 및 식생과 같은 상호작용 구성 요소를 추가합니다.

기후 모델에 슈퍼컴퓨터가 필요한 이유는 무엇인가요?

이 모델들은 수백만 개의 격자점과 많은 시간 단계에 걸쳐 장기간의 시뮬레이션 동안 물리 방정식을 풀기 때문에, 특히 고해상도에서는 막대한 컴퓨팅 파워가 필요합니다.