大气环流模式和地球系统模式

模拟大气、海洋、陆地和冰层耦合的综合数值模式，并日益扩展到碳循环和生物地球化学领域。

Definition

大气环流模式通过在全球网格上数值求解控制物理方程来模拟大气和海洋的大尺度环流和气候，而地球系统模式通过交互式地包含碳循环等生物地球化学组分来扩展此功能。

Scope

本主题涵盖最全面的气候模式：求解全球网格上流体运动和热力学方程的大气-海洋环流模式，以及增加交互式碳、化学、植被和冰盖组分的地球系统模式。它涉及它们的动力核心、组分耦合、次网格过程参数化、分辨率和复杂性的权衡，以及运行它们所需的计算需求。

Core questions

• 大气环流模式如何求解大气和海洋的方程？
• 各组分如何耦合到一个单一的地球系统模式中？
• 增加复杂性与提高分辨率相比，会带来哪些得失？
• 哪些计算和结构选择会影响模式行为？

Key theories

原始方程动力核心

大气环流模式通过积分原始方程（流体动力学和热力学定律的简化形式）来模拟大气和海洋不断演变的三维环流。

耦合地球系统表示

地球系统模式将物理气候组分与交互式碳、化学和植被耦合，从而使它们之间的反馈（例如碳循环反馈）从模拟中产生。

Mechanisms

动力核心在全球网格上推进原始方程，以计算风、温度和洋流，而物理模块则参数化辐射、云、对流和地表交换。大气、海洋、海冰和陆地组分相互耦合，从而交换能量、水和动量通量，地球系统模式还模拟碳、化学和植被，从而交互式地产生生物地球化学反馈，所有这些都需要巨大的计算成本。

Clinical relevance

这些模式是预测未来气候、模拟过去气候以及运行支撑IPCC评估和国家气候规划的协调实验的主力工具。

History

首批大气环流模式于20世纪60年代在普林斯顿地球物理流体动力学实验室等机构出现，真锅和维瑟拉尔德于1975年进行了首次三维二氧化碳倍增实验，随后的几十年中，又增加了耦合海洋、海冰，并最终形成了现代地球系统模式的交互式碳循环。

Debates

分辨率与复杂性

有限的计算资源是更好地用于提高分辨率以解析云和涡流，还是用于增加地球系统组分，这是模式开发中一个持续的战略争论。

Key figures

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

Seminal works

• manabewetherald1975
• mcguffie2014

Frequently asked questions

GCM和地球系统模式有什么区别？

大气环流模式模拟物理大气和海洋，而地球系统模式则增加了交互式组分，如碳循环、化学和植被。

为什么气候模式需要超级计算机？

它们在数百万个网格点上求解物理方程，并在长时间模拟中进行许多时间步长计算，这需要巨大的计算能力，尤其是在高分辨率下。