Mô hình hóa khí hậu

Mô phỏng số học hệ thống khí hậu, từ các cột bức xạ-đối lưu đến các mô hình hệ thống Trái đất được ghép nối, được sử dụng để hiểu khí hậu và dự báo tương lai của nó.

Definition

Mô hình hóa khí hậu là sự biểu diễn hệ thống khí hậu thông qua các phương trình toán học được giải bằng số trên máy tính, từ các mô hình lý tưởng hóa cô lập các quá trình đơn lẻ đến các mô hình hệ thống Trái đất được ghép nối mô phỏng toàn bộ hệ thống và dự báo tương lai của nó.

Scope

Lĩnh vực này bao gồm việc xây dựng, sử dụng và đánh giá các mô hình khí hậu số. Nó đề cập đến hệ thống phân cấp các mô hình từ các công thức cân bằng năng lượng và bức xạ-đối lưu đơn giản đến các mô hình tuần hoàn chung và hệ thống Trái đất toàn diện, việc tham số hóa các quá trình chưa được giải quyết, các kịch bản phát thải thúc đẩy các dự báo, việc giảm tỷ lệ đầu ra thô xuống quy mô khu vực, và việc đánh giá và so sánh có hệ thống các mô hình với các quan sát.

Sub-topics

• Emission Scenarios and Climate Projections
• General Circulation and Earth System Models

Core questions

• Làm thế nào để các định luật vật lý chi phối khí hậu được chuyển thành một mô hình số có thể giải được?
• Làm thế nào để các quá trình quá nhỏ để giải quyết được biểu diễn thông qua tham số hóa?
• Các kịch bản phát thải được sử dụng như thế nào để dự báo khí hậu tương lai?
• Các mô hình được đánh giá như thế nào và sự không chắc chắn của chúng được đặc trưng như thế nào?

Key theories

Hệ thống phân cấp các mô hình khí hậu

Các mô hình trải dài một hệ thống phân cấp từ các công thức cân bằng năng lượng và bức xạ-đối lưu đơn giản giúp xây dựng sự hiểu biết đến các mô hình ghép nối toàn diện mô phỏng toàn bộ hệ thống, mỗi loại phù hợp với các câu hỏi khác nhau.

Tham số hóa các quá trình dưới lưới

Các quá trình nhỏ hơn lưới mô hình, chẳng hạn như mây, đối lưu và nhiễu loạn, được biểu diễn bằng các tham số hóa mà công thức của chúng ảnh hưởng mạnh đến hành vi của mô hình và là một nguồn không chắc chắn chính.

Mechanisms

Các mô hình khí hậu chia khí quyển, đại dương và đất liền thành một lưới ba chiều và tích hợp các phương trình chuyển động, nhiệt động lực học và bức xạ theo thời gian, ghép nối các thành phần để chúng trao đổi năng lượng, nước và động lượng. Các quá trình nhỏ hơn lưới được tham số hóa; các mô hình được điều khiển bởi các tác động cưỡng bức hoặc kịch bản phát thải đã được quy định, được đánh giá dựa trên các quan sát và hồ sơ lịch sử, và được so sánh trong các dự án so sánh liên ngành phối hợp để đánh giá tính mạnh mẽ và sự phân tán.

Clinical relevance

Các mô hình khí hậu là công cụ chính để dự báo khí hậu tương lai theo các kịch bản phát thải khác nhau và để gán các thay đổi đã quan sát được, làm cho chúng trở thành nền tảng khoa học cho chính sách khí hậu, lập kế hoạch thích ứng và đánh giá rủi ro.

Evidence & guidelines

Báo cáo Đánh giá lần thứ sáu của IPCC dựa nhiều vào các so sánh mô hình phối hợp để dự báo thay đổi trong tương lai, đánh giá rằng các mô hình tái tạo nhiều đặc điểm của khí hậu đã quan sát được, và sử dụng các ràng buộc quan sát để thu hẹp các phạm vi dự báo.

History

Mô hình hóa khí hậu phát triển từ các dự báo thời tiết số đầu tiên và từ mô hình bức xạ-đối lưu năm 1967 của Manabe và Wetherald, mở rộng trong những năm 1970 và 1980 thành các mô hình tuần hoàn chung khí quyển-đại dương được ghép nối và, gần đây hơn, thành các mô hình hệ thống Trái đất bao gồm chu trình carbon và địa hóa sinh học.

Debates

Xử lý mây và sự phân tán mô hình

Sự khác biệt trong cách các mô hình tham số hóa mây và đối lưu thúc đẩy phần lớn sự phân tán trong độ nhạy khí hậu và các dự báo của chúng, làm dấy lên tranh luận về cách tốt nhất để hạn chế và giảm thiểu nó.

Key figures

• Syukuro Manabe
• Warren Washington
• Ann Henderson-Sellers
• Klaus Hasselmann

Seminal works

• manabewetherald1967
• mcguffie2014

Frequently asked questions

Một mô hình khí hậu hoạt động như thế nào?

Nó chia Trái đất thành một lưới và thực hiện các phương trình vật lý cho khí quyển, đại dương và đất liền theo thời gian, biểu diễn các quá trình quy mô nhỏ như mây thông qua các tham số hóa.

Có thể tin tưởng các mô hình khí hậu không?

Chúng tái tạo nhiều đặc điểm đã quan sát được của khí hậu trong quá khứ và hiện tại và đồng ý về phản ứng rộng rãi đối với khí nhà kính, mặc dù vẫn còn những bất ổn, đặc biệt là trong các đám mây và chi tiết khu vực.