Modelos de Circulação Geral e Modelos do Sistema Terrestre

Os modelos numéricos abrangentes que simulam a atmosfera, o oceano, a terra e o gelo acoplados, cada vez mais estendidos ao ciclo do carbono e à biogeoquímica.

Definition

Um modelo de circulação geral simula a circulação em larga escala e o clima da atmosfera e do oceano resolvendo numericamente as equações físicas governantes em uma grade global, e um modelo do sistema terrestre estende isso incluindo interativamente componentes biogeoquímicos, como o ciclo do carbono.

Scope

Este tópico abrange os modelos climáticos mais abrangentes: modelos de circulação geral atmosfera-oceano que resolvem as equações de movimento de fluidos e termodinâmica em uma grade global, e modelos do sistema terrestre que adicionam componentes interativos de carbono, química, vegetação e camadas de gelo. Ele trata seus núcleos dinâmicos, o acoplamento de componentes, a parametrização de processos sub-grade, as compensações de resolução e complexidade, e as demandas computacionais para executá-los.

Core questions

• Como os modelos de circulação geral resolvem as equações da atmosfera e do oceano?
• Como os componentes são acoplados em um único modelo do sistema terrestre?
• O que se ganha e o que se perde ao adicionar complexidade versus resolução?
• Quais escolhas computacionais e estruturais moldam o comportamento do modelo?

Key theories

Núcleo dinâmico de equações primitivas

Os modelos de circulação geral integram as equações primitivas, formas simplificadas das leis da dinâmica de fluidos e termodinâmica, para simular a circulação tridimensional em evolução da atmosfera e do oceano.

Representação acoplada do sistema terrestre

Os modelos do sistema terrestre acoplam componentes climáticos físicos com carbono, química e vegetação interativos para que os feedbacks entre eles, como os feedbacks do ciclo do carbono, surjam da simulação.

Mechanisms

Um núcleo dinâmico avança as equações primitivas em uma grade global para calcular ventos, temperaturas e correntes, enquanto os módulos de física parametrizam a radiação, nuvens, convecção e trocas de superfície. Os componentes da atmosfera, oceano, gelo marinho e terra são acoplados para que troquem fluxos de energia, água e momento, e os modelos do sistema terrestre adicionalmente simulam carbono, química e vegetação para que os feedbacks biogeoquímicos surjam interativamente, tudo a um custo computacional substancial.

Clinical relevance

Esses modelos são as ferramentas principais para projetar o clima futuro, simular climas passados e executar os experimentos coordenados que sustentam as avaliações do IPCC e o planejamento climático nacional.

History

Os primeiros modelos de circulação geral surgiram em instituições como o Geophysical Fluid Dynamics Laboratory de Princeton na década de 1960, Manabe e Wetherald produziram o primeiro experimento tridimensional de duplicação de dióxido de carbono em 1975, e as décadas sucessivas adicionaram oceanos acoplados, gelo marinho e, eventualmente, o ciclo interativo do carbono dos modelos modernos do sistema terrestre.

Debates

Resolução versus complexidade

Se o poder computacional limitado é melhor gasto em maior resolução para resolver nuvens e redemoinhos ou na adição de componentes do sistema terrestre é um debate estratégico contínuo no desenvolvimento de modelos.

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre um GCM e um modelo do sistema terrestre?

Um modelo de circulação geral simula a atmosfera e o oceano físicos, enquanto um modelo do sistema terrestre adiciona componentes interativos como o ciclo do carbono, a química e a vegetação.

Por que os modelos climáticos precisam de supercomputadores?

Eles resolvem as equações físicas em milhões de pontos de grade e muitos passos de tempo ao longo de longas simulações, o que requer um enorme poder computacional, especialmente em alta resolução.