Các Mô hình Tuần hoàn Chung và Hệ thống Trái đất

Các mô hình số toàn diện mô phỏng khí quyển, đại dương, đất liền và băng tuyết kết nối với nhau, ngày càng được mở rộng sang chu trình carbon và hóa sinh địa.

Definition

Mô hình tuần hoàn chung mô phỏng tuần hoàn quy mô lớn và khí hậu của khí quyển và đại dương bằng cách giải số các phương trình vật lý chi phối trên lưới toàn cầu, và mô hình hệ thống Trái đất mở rộng điều này bằng cách bao gồm tương tác các thành phần hóa sinh địa như chu trình carbon.

Scope

Chủ đề này bao gồm các mô hình khí hậu toàn diện nhất: các mô hình tuần hoàn chung khí quyển-đại dương giải các phương trình chuyển động chất lỏng và nhiệt động lực học trên lưới toàn cầu, và các mô hình hệ thống Trái đất bổ sung các thành phần carbon, hóa học, thực vật và lớp băng tương tác. Nó đề cập đến các lõi động lực học của chúng, sự kết nối của các thành phần, sự tham số hóa các quá trình dưới lưới, sự đánh đổi giữa độ phân giải và độ phức tạp, và các yêu cầu tính toán để vận hành chúng.

Core questions

• Các mô hình tuần hoàn chung giải các phương trình của khí quyển và đại dương như thế nào?
• Các thành phần được kết nối thành một mô hình hệ thống Trái đất duy nhất như thế nào?
• Điều gì được và mất khi tăng độ phức tạp so với độ phân giải?
• Những lựa chọn tính toán và cấu trúc nào định hình hành vi của mô hình?

Key theories

Lõi động lực học phương trình nguyên thủy

Các mô hình tuần hoàn chung tích hợp các phương trình nguyên thủy, các dạng đơn giản hóa của các định luật động lực học chất lỏng và nhiệt động lực học, để mô phỏng tuần hoàn ba chiều đang phát triển của khí quyển và đại dương.

Biểu diễn hệ thống Trái đất kết nối

Các mô hình hệ thống Trái đất kết nối các thành phần khí hậu vật lý với carbon, hóa học và thực vật tương tác để các phản hồi giữa chúng, chẳng hạn như phản hồi chu trình carbon, xuất hiện từ mô phỏng.

Mechanisms

Một lõi động lực học phát triển các phương trình nguyên thủy trên lưới toàn cầu để tính toán gió, nhiệt độ và dòng chảy, trong khi các mô-đun vật lý tham số hóa bức xạ, mây, đối lưu và trao đổi bề mặt. Các thành phần khí quyển, đại dương, băng biển và đất liền được kết nối để chúng trao đổi các dòng năng lượng, nước và động lượng, và các mô hình hệ thống Trái đất còn mô phỏng carbon, hóa học và thực vật để các phản hồi hóa sinh địa tương tác phát sinh, tất cả đều với chi phí tính toán đáng kể.

Clinical relevance

Các mô hình này là công cụ chính để dự báo khí hậu tương lai, mô phỏng khí hậu quá khứ và thực hiện các thí nghiệm phối hợp làm nền tảng cho các đánh giá của IPCC và kế hoạch khí hậu quốc gia.

History

Các mô hình tuần hoàn chung đầu tiên xuất hiện tại các tổ chức như Phòng thí nghiệm Động lực học Chất lỏng Địa vật lý của Princeton vào những năm 1960, Manabe và Wetherald đã tạo ra thí nghiệm tăng gấp đôi carbon dioxide ba chiều đầu tiên vào năm 1975, và các thập kỷ tiếp theo đã bổ sung các đại dương kết nối, băng biển, và cuối cùng là chu trình carbon tương tác của các mô hình hệ thống Trái đất hiện đại.

Debates

Độ phân giải so với độ phức tạp

Việc liệu nên dành nguồn lực tính toán hạn chế để đạt độ phân giải cao hơn nhằm giải quyết các đám mây và xoáy hay để bổ sung các thành phần hệ thống Trái đất là một cuộc tranh luận chiến lược đang diễn ra trong phát triển mô hình.

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa GCM và mô hình hệ thống Trái đất là gì?

Mô hình tuần hoàn chung mô phỏng khí quyển và đại dương vật lý, trong khi mô hình hệ thống Trái đất bổ sung các thành phần tương tác như chu trình carbon, hóa học và thực vật.

Tại sao các mô hình khí hậu cần siêu máy tính?

Chúng giải các phương trình vật lý tại hàng triệu điểm lưới và nhiều bước thời gian trong các mô phỏng dài, điều này đòi hỏi sức mạnh tính toán khổng lồ, đặc biệt ở độ phân giải cao.