Модели общей циркуляции и модели системы Земли

Комплексные численные модели, имитирующие взаимосвязанные атмосферу, океан, сушу и лед, все чаще расширяются до углеродного цикла и биогеохимии.

Definition

Модель общей циркуляции имитирует крупномасштабную циркуляцию и климат атмосферы и океана путем численного решения управляющих физических уравнений на глобальной сетке, а модель системы Земли расширяет это, интерактивно включая биогеохимические компоненты, такие как углеродный цикл.

Scope

Эта тема охватывает наиболее комплексные климатические модели: атмосферно-океанические модели общей циркуляции, которые решают уравнения движения жидкости и термодинамики на глобальной сетке, и модели системы Земли, которые добавляют интерактивные компоненты углерода, химии, растительности и ледяных щитов. В ней рассматриваются их динамические ядра, связь компонентов, параметризация подсеточных процессов, компромиссы между разрешением и сложностью, а также вычислительные требования для их запуска.

Core questions

• Как модели общей циркуляции решают уравнения атмосферы и океана?
• Как компоненты объединяются в единую модель системы Земли?
• Что приобретается и что теряется при добавлении сложности по сравнению с разрешением?
• Какие вычислительные и структурные решения формируют поведение модели?

Key theories

Динамическое ядро на основе примитивных уравнений

Модели общей циркуляции интегрируют примитивные уравнения, упрощенные формы законов гидродинамики и термодинамики, для имитации развивающейся трехмерной циркуляции атмосферы и океана.

Представление связанной системы Земли

Модели системы Земли связывают физические климатические компоненты с интерактивными компонентами углерода, химии и растительности, так что обратные связи между ними, такие как обратные связи углеродного цикла, возникают в результате моделирования.

Mechanisms

Динамическое ядро продвигает примитивные уравнения на глобальной сетке для расчета ветров, температур и течений, в то время как физические модули параметризуют радиацию, облака, конвекцию и поверхностные обмены. Компоненты атмосферы, океана, морского льда и суши связаны таким образом, что они обмениваются потоками энергии, воды и импульса, а модели системы Земли дополнительно имитируют углерод, химию и растительность, так что биогеохимические обратные связи возникают интерактивно, все это с существенными вычислительными затратами.

Clinical relevance

Эти модели являются основным инструментом для прогнозирования будущего климата, моделирования прошлых климатов и проведения скоординированных экспериментов, которые лежат в основе оценок МГЭИК и национального климатического планирования.

History

Первые модели общей циркуляции появились в таких учреждениях, как Лаборатория геофизической гидродинамики Принстонского университета в 1960-х годах, Манабе и Везерэлд провели первый трехмерный эксперимент по удвоению углекислого газа в 1975 году, а в последующие десятилетия были добавлены связанные океаны, морской лед и, в конечном итоге, интерактивный углеродный цикл современных моделей системы Земли.

Debates

Разрешение против сложности

Вопрос о том, лучше ли ограниченные вычислительные ресурсы тратить на более высокое разрешение для моделирования облаков и вихрей или на добавление компонентов системы Земли, является постоянной стратегической дискуссией в разработке моделей.

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

В чем разница между GCM и моделью системы Земли?

Модель общей циркуляции имитирует физическую атмосферу и океан, в то время как модель системы Земли добавляет интерактивные компоненты, такие как углеродный цикл, химия и растительность.

Почему климатическим моделям нужны суперкомпьютеры?

Они решают физические уравнения в миллионах узлов сетки и на многих временных шагах в течение длительных симуляций, что требует огромной вычислительной мощности, особенно при высоком разрешении.