แบบจำลองการหมุนเวียนทั่วไปและแบบจำลองระบบโลก

แบบจำลองเชิงตัวเลขที่ครอบคลุมซึ่งจำลองการเชื่อมโยงกันของบรรยากาศ มหาสมุทร พื้นดิน และน้ำแข็ง ซึ่งขยายไปสู่การจำลองวัฏจักรคาร์บอนและชีวธรณีเคมีมากขึ้นเรื่อยๆ

Definition

แบบจำลองการหมุนเวียนทั่วไป (general circulation model) จำลองการหมุนเวียนขนาดใหญ่และสภาพภูมิอากาศของบรรยากาศและมหาสมุทรโดยการแก้สมการทางฟิสิกส์ที่ควบคุมด้วยตัวเลขบนกริดทั่วโลก และแบบจำลองระบบโลก (Earth system model) ขยายขอบเขตนี้โดยการรวมองค์ประกอบทางชีวธรณีเคมี เช่น วัฏจักรคาร์บอน เข้าไปอย่างมีปฏิสัมพันธ์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมแบบจำลองสภาพภูมิอากาศที่ครอบคลุมมากที่สุด ได้แก่ แบบจำลองการหมุนเวียนทั่วไปของบรรยากาศและมหาสมุทรที่แก้สมการการเคลื่อนที่ของของไหลและอุณหพลศาสตร์บนกริดทั่วโลก และแบบจำลองระบบโลกที่เพิ่มองค์ประกอบของคาร์บอน เคมี พืชพรรณ และแผ่นน้ำแข็งที่มีปฏิสัมพันธ์กัน หัวข้อนี้จะกล่าวถึงแกนพลวัต การเชื่อมโยงองค์ประกอบ การกำหนดพารามิเตอร์ของกระบวนการย่อยกริด การแลกเปลี่ยนระหว่างความละเอียดและความซับซ้อน และความต้องการด้านการคำนวณในการรันแบบจำลองเหล่านี้

Core questions

• แบบจำลองการหมุนเวียนทั่วไปแก้สมการของบรรยากาศและมหาสมุทรได้อย่างไร?
• องค์ประกอบต่างๆ ถูกเชื่อมโยงเข้ากับแบบจำลองระบบโลกเดียวได้อย่างไร?
• การเพิ่มความซับซ้อนเทียบกับความละเอียดมีข้อดีและข้อเสียอย่างไร?
• ทางเลือกในการคำนวณและโครงสร้างใดบ้างที่ส่งผลต่อพฤติกรรมของแบบจำลอง?

Key theories

แกนพลวัตสมการพื้นฐาน (Primitive-equation dynamical core)

แบบจำลองการหมุนเวียนทั่วไปจะรวมสมการพื้นฐาน ซึ่งเป็นรูปแบบที่ง่ายขึ้นของกฎพลศาสตร์ของไหลและอุณหพลศาสตร์ เพื่อจำลองการหมุนเวียนสามมิติที่เปลี่ยนแปลงไปของบรรยากาศและมหาสมุทร

การแสดงระบบโลกที่เชื่อมโยงกัน (Coupled Earth system representation)

แบบจำลองระบบโลกจะเชื่อมโยงองค์ประกอบทางกายภาพของสภาพภูมิอากาศเข้ากับคาร์บอน เคมี และพืชพรรณที่มีปฏิสัมพันธ์กัน เพื่อให้การป้อนกลับระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้น เช่น การป้อนกลับของวัฏจักรคาร์บอน เกิดขึ้นจากการจำลอง

Mechanisms

แกนพลวัต (dynamical core) จะประมวลผลสมการพื้นฐานบนกริดทั่วโลกเพื่อคำนวณลม อุณหภูมิ และกระแสน้ำ ในขณะที่โมดูลฟิสิกส์จะกำหนดพารามิเตอร์การแผ่รังสี เมฆ การพาความร้อน และการแลกเปลี่ยนพื้นผิว องค์ประกอบของบรรยากาศ มหาสมุทร น้ำแข็งทะเล และพื้นดินจะเชื่อมโยงกันเพื่อให้มีการแลกเปลี่ยนฟลักซ์ของพลังงาน น้ำ และโมเมนตัม และแบบจำลองระบบโลกยังจำลองคาร์บอน เคมี และพืชพรรณ เพื่อให้เกิดการป้อนกลับทางชีวธรณีเคมีอย่างมีปฏิสัมพันธ์ ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องใช้ต้นทุนการคำนวณที่สูงมาก

Clinical relevance

แบบจำลองเหล่านี้เป็นเครื่องมือสำคัญในการคาดการณ์สภาพภูมิอากาศในอนาคต การจำลองสภาพภูมิอากาศในอดีต และการดำเนินการทดลองที่ประสานงานกันซึ่งเป็นพื้นฐานของการประเมินของ IPCC และการวางแผนสภาพภูมิอากาศระดับชาติ

History

แบบจำลองการหมุนเวียนทั่วไปชุดแรกเกิดขึ้นที่สถาบันต่างๆ เช่น Geophysical Fluid Dynamics Laboratory ของ Princeton ในทศวรรษ 1960 Manabe และ Wetherald ได้ทำการทดลองเพิ่มคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสองเท่าแบบสามมิติครั้งแรกในปี 1975 และทศวรรษต่อๆ มาได้มีการเพิ่มมหาสมุทรที่เชื่อมโยงกัน น้ำแข็งทะเล และในที่สุดก็รวมวัฏจักรคาร์บอนที่มีปฏิสัมพันธ์ของแบบจำลองระบบโลกสมัยใหม่

Debates

ความละเอียดเทียบกับความซับซ้อน

การตัดสินใจว่าจะใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์ที่มีจำกัดไปกับการเพิ่มความละเอียดเพื่อจำลองเมฆและกระแสน้ำวน หรือการเพิ่มองค์ประกอบของระบบโลก เป็นประเด็นถกเถียงเชิงกลยุทธ์ที่กำลังดำเนินอยู่ในการพัฒนาแบบจำลอง

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่าง GCM และแบบจำลองระบบโลกคืออะไร?

แบบจำลองการหมุนเวียนทั่วไป (GCM) จำลองบรรยากาศและมหาสมุทรทางกายภาพ ในขณะที่แบบจำลองระบบโลก (Earth system model) เพิ่มองค์ประกอบที่มีปฏิสัมพันธ์ เช่น วัฏจักรคาร์บอน เคมี และพืชพรรณ

ทำไมแบบจำลองสภาพภูมิอากาศจึงต้องใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์?

แบบจำลองเหล่านี้แก้สมการทางฟิสิกส์ที่จุดกริดนับล้านจุดและหลายช่วงเวลาตลอดการจำลองที่ยาวนาน ซึ่งต้องใช้พลังการคำนวณมหาศาล โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความละเอียดสูง