Klíma modell

A klímamodell egy matematikai modellezése a klíma egy adott földrajzi területen.

Történelmileg az első légköri modell 1950-ből származik, és az első létező számítógépen, az ENIAC- on tesztelték . Mivel a 4 th  jelentésére IPCC ( 2007 ), a független modellek által használt különböző klimatológia laboratóriumokban világszerte tartott 23.

Sokféle modell összetettségben változik. A legegyszerűbb lehetővé teszi, hogy nagyon jól megértse, mi történik; a legösszetettebbek lehetővé teszik a valóság megközelítését.

Leírás

Különböző típusú modellek léteznek, az egyszerű energiamérlegtől kezdve a globális Föld-rendszer modellekig, amelyek komplex módon reprezentálják a Föld-rendszer különböző elemeit - légkör, óceán, tengeri jég, kontinentális bioszféra stb. - és kölcsönhatásukat.

Modellek között részletezett 5 -én jelentésére IPCC jelentése:

• Az összekapcsolt óceáni légköri modellek . Ezek a modellek át a legtöbb az alkalmazott modellek és értékeltük a 4 th IPCC jelentésben. Számos modellből állnak ( óceánmodell , légköri modell , tengeri jégmodell , a kontinenseket reprezentáló modell (növényzet, lefolyás stb.)), Amelyek kicserélik információikat (csatolás). Például a légköri modell által kiszámított légköri felszíni hőmérsékletek szolgálnak az óceán modell bemeneti adataként az óceán felszínének hőmérsékletének kiszámításához és fordítva. Ezeket a modelleket ma is széles körben használják.
• A Föld rendszer modelljei . Ezek a modellek összekapcsolt óceán-légköri modellek kifejlesztését jelentik, amelyekhez hozzáadódik a biogeokémiai ciklusok szimulációja . Manapság ezek a legteljesebb eszközök az éghajlat-előrejelzések megvalósításához, amelyekhez a biogeokémiai ciklusokhoz kapcsolódó visszajelzések fontosak.
• A Földrendszer közepes összetettségű modelljei . Ezek a modellek tartalmazzák a Föld rendszermodelljeinek összetevőit, de gyakran idealizált módon vagy alacsony felbontással, annak érdekében, hogy olcsóbbak legyenek a számítási teljesítményben. Lehetővé teszik konkrét kérdések tanulmányozását, például bizonyos visszacsatolási folyamatok megértését.
• Regionális modellek . Hasonlóak a korábbi modellekhez, de térbeli tartományuk a földi földgömbnek csak egy részét fedi le. Mivel a tartományuk kisebb, jobb térbeli felbontás (a kisebb háló mérete) és időbeli elérése lehetséges ugyanazon számítási költség mellett, mint a teljes modell. Az információkat a határokon általában globális modellek nyújtják.

Általános forgalmi modellek

Az általános cirkulációs modell magában foglalja a légköri és óceáni cirkuláció a planetáris szinten . Változatos bonyolultságok is vannak, a legegyszerűbb, ha csak a légköri keringést lehet modellezni a Navier-Stokes-egyenletek alapján, és a bonyolultabb, figyelembe véve számos paramétert, például a talaj érdességét, a növényzetet, a vulkanológiát ...

Klasszikus modellszerkezet

Az éghajlati modellek a fizika alapvető törvényein alapulnak, vagyis az energia , a tömeg és a lendület megőrzésén . Ezeket a folyadékokra (levegő az atmoszféra és a víz az óceán számára) alkalmazott és egyenletek formájában alkalmazott törvényeket Navier-Stokes-egyenletnek nevezik . Ezeket az egyenleteket azután egyszerűsítik, hogy bizonyos közelítések kereteibe helyezik magukat. Ezek az egyszerűsített egyenletek, az úgynevezett primitív egyenletek jelentik a modell alapját. A biogeokémiai ciklusok modellezéséhez a Redfield arányt vetik ki, ezért gyakran képezi az egyik alapvető egyenletet.

Ezeket az egyenleteket ezután számítógépen kell végrehajtani. Érte :

• Létrehozunk egy mesterséges, háromdimenziós hálót a közegből, amelyet modellezni szeretnénk (például: légkör), a földrajzi területet gyakorlatilag mindkét oldalon több kilométeres hálóra osztjuk. A háló mérete függ a számítási időtől.
• Megoldjuk az egyes dobozok belsejében található egyenleteket, hogy meghatározzunk néhány, a rendszer egészére jellemzőnek tartott paramétert. Ide tartozhatnak az átlagos hőmérséklet és eloszlása, az évszakos csapadékmennyiség, az átlagos páratartalom , a növénytakaró , a szél sebessége és iránya stb.

• Mi programozni ezt a teljes matematikai modell, számítógépes nyelv .

Ennek a folyamatnak a végén a modellt terepi megfigyelésekkel tesztelik, ami végső soron javítja az előző modellt.

Alkalmazások

A modell megválasztása a feltett tudományos kérdéstől függ. Ezek a modellek többek között lehetővé teszik:

• A tanulmány a múlt éghajlat, sem a fő időszakok az evolúció a Föld ( paleoklimatológia ), vagy az elmúlt időszakban a 20 th  században.
• Egyes klimatikus eseményekhez kapcsolódó fizikai mechanizmusok elemzése és megértése (például a légköri felszíni hőmérséklet emelkedésének lelassulása a 2000-es évek során).
• Az úgynevezett „belső” éghajlati változékonyság elemzése és megértése, vagyis a Föld rendszerén belüli kölcsönhatásokhoz kapcsolódik, például az óceán és a légkör hőcseréjéhez kapcsolódva.
• A klímaváltozás észlelése és hozzárendelése, azaz az átlagos éghajlathoz viszonyított éghajlati ingadozások detektálása és az okhoz való hozzárendelés, vagyis az azt kiváltó fizikai mechanizmus megértése.
• Az éghajlati előrejelzések, vagyis az éghajlati ingadozások előrejelzése, minden forrásból
• Klíma-előrejelzések, vagyis a klíma reakciója egy adott külső változásra. Jellemzően, éghajlatra prognózisa az 21 st  században megfelelnek a válasz az éghajlat, hogy a változás a üvegházhatású gázok koncentrációja a légkörben. Nem célja az óceán és a légkör közötti kölcsönhatásokhoz kapcsolódó belső ingadozások előrejelzése. Ezek a belső ingadozások ezt a választ bizonyos mutatókra is elfedhetik bizonyos időszakokban, mint például a 2000-es években, amikor a globális hőmérséklet alakulásának fennsíkját figyelték meg.

Bizonytalanságok és értékelés

Az éghajlati modellek tökéletlenek. A klímamodellekben a bizonytalanságok fő forrása a paraméterezés, amely lehetővé teszi a modellsejtnél kisebb méretű fizikai folyamatok figyelembevételét.

A rácsok konfigurációja (amelyen a fizikai egyenletek diszkretizálódnak) és a paraméterek megválasztása az egyes modellekre jellemző. Ennek eredményeként a kimeneti adatok eltéréseket eredményeznek, amelyek lehetővé teszik az e hiányosságok miatti bizonytalanság megbecsülését. Ezt a bizonytalanságot figyelembe veszik az éghajlat-előrejelzések.

Az összes éghajlati modellt úgy értékeljük, hogy összehasonlítjuk őket a megfigyelésekkel. Ez a modell-megfigyelés összehasonlítás figyelembe veszi a szimulációk bizonytalanságait, de a megfigyeléseket is (különös tekintettel a korlátozott mintavételre). Az értékelés különösen a következőkre vonatkozik:

• Átlagos éghajlat: beleértve a légköri keringést, az óceán keringését, az átlagos hőmérsékletet, a tengeri jégtakarót stb.
• Az egyes régiókban a szezonális ciklus helyes reprodukálásának képessége
• Az évközi és a évtized közötti változékonyság szimulációjának képessége ( El Niño események , minimális tengeri jégtakaró, variációs variációk, például Észak-Atlanti oszcilláció
• A megfigyelt legújabb trendek (olvadó tengeri jég, globális felmelegedés, emelkedő tengerszint stb.) Szimulációs képessége

A műszaki fejlődés és a modellek száma

Az éghajlat-előrejelzést forradalmasította a modellezés fejlődése, amelyet maguk is fellendítettek a mesterséges műholdak megjelenésével, amelyek rengeteg adatot gyűjtenek a légkör állapotáról (páratartalom, felhősség , hőmérséklet stb.), Valamint a talaj fejlődésével. meteorológiai állomások .

A számítási teljesítmény a klimatológiában is meghatározó . Exponenciálisan növekszik, lehetővé tette további paraméterek hozzáadását a modellhez és a talaj hálójának csökkentését. Az evolúció egy hónapos szimulációjának idejét 20 év alatt ( 1980- tól 2000-ig ) több mint 100-mal osztották fel . A szuperszámítógépek használata jelenleg az általános. A G8-HORC által finanszírozott kutatási programok célja jelenleg a modellek frissítése a jövőbeli exaflop szuperszámítógépek lehető legjobb kihasználása érdekében.

Az éghajlati modellek az egyik alapvető eszköz, amelyet az IPCC szakértői használnak a globális felmelegedés valószínű következményeinek kiszámításához .

Mivel a 4 th  jelentésére IPCC ( 2007 ), a független modellek által használt különböző laboratóriumok klimatológia 23 a világon. Ez a szám azóta nőtt, hogy előkészítse a 5 -én  jelentést és a 6 -én  jelentést (esedékes 2021-ben).

A legújabb trend az, hogy ugyanazon adatbevitel mellett az új generációs (elméletileg sokkal pontosabb) modellek általában melegebb hőmérsékleteket jósolnak, mint a régebbi (egyszerűbb) modellek.

Így a levegőben lévő CO2 megduplázódása az iparosodás előtti szinthez képest az első modellek +100 C-ot jelentettek be 2100-ban, de a modellek második generációja azt javasolta, hogy 2020 és 2070 között már elérjék a +1 ° C-ot, majd A szimulációk harmadik generációja több ezer számítógép együttes használatával megnövelt számítási teljesítményen alapult, és arra a következtetésre jutott, hogy a felmelegedés 2100-ban elérheti a 3 ° C-ot. Aztán egy modellezés (climateprediction.net) jósolta meg2012. március(Nature. Geoscience) szerint +1,4 ° C és +3,0 ° C között 2050-ben már el lehet érni. A modellek ezen harmadik generációja a század végén +2 ° C és +4,5 ° C közötti előrejelzést adott (valamikor az éghajlat és a bolygó a rendszer kiegyensúlyozott). De 2019-ben az USA, az Egyesült Királyság, az Egyesült Királyság, Kanada és Franciaország fő tudományos központjai által kifejlesztett és tesztelt legalább nyolc újgenerációs modell arra a következtetésre jutott, hogy +5 ° C (és még magasabb) is elérhető 2100-ban. Még a tervezők is e modellek közül úgy gondolja, hogy ilyen felmelegedés nem valószínű. Az egyik hipotézis szerint a Föld rendszerének szimulációs modelljében elfogultság van (még pontosabb, mint valaha). Ban ben2019 április, ezt az elfogultságot még azonosítani kell.
A modellek éghajlati érzékenységét kevésbé lehet hangsúlyozni az Egyesült Államok 6. éghajlati értékelésében, az ókori éghajlathoz kapcsolódó korlátok tanulmányozása mellett a modern megfigyelésekhez képest.

Megjegyzések és hivatkozások

1. (en) Gregory Flato, IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis ( olvasható online ) , fejezet.  9 („ Klímamodellek értékelése”) , 746. o
2. (a) Claussen M. , Mysak L. Weaver A. és Feszület M. , „  Föld-rendszer modellek intermedier komplexitás: bezáródjon a rés a spektrumát éghajlati rendszer modellek  ” , klímadinamikai , vol.  18, n o  7,1 st március 2002, P.  579-586 ( ISSN  0930-7575 és 1432-0894 , DOI  10.1007 / s00382-001-0200-1 , online olvasás , hozzáférés : 2018. szeptember 14 )
3. (en) IPCC, 2013: Éghajlatváltozás 2013: A fizikai tudományos alap. ( online olvasható ) , fej.  9. („Klímamodellek értékelése”) , p.  748
4. (in) Adam C. Martiny , TA Chau Pham , W. Francois Primeau , Jasper A. Vrugt , J. Keith Moore , Simon A. Levin és Michael W. Lomas , "  Erős szélességi minták a tengeri plankton és szerves anyagok  ” , Nature Geoscience ,2013. március 17( DOI  10.1038 / ngeo1757 )
5. (in) Gregory Flato, IPCC, 2013: Éghajlatváltozás 2013: A fizikai tudományos alap ( olvas online ) , fickó.  9. („Az éghajlati modellek értékelése”) , 9.1. Háttérmagyarázat, 749. o
6. (in) "  Climate Change 2013 - The Physical Science Basis  " , Cambridge Core ,2009, P.  746 ( DOI  10,1017 / cbo9781107415324 , olvasható online , elérhető szeptember 12, 2018 )
7. „  9.1.2 Mi az éghajlatváltozás észlelése és hozzárendelése? - AR4 WGI 9. fejezet: Az éghajlatváltozás megértése és hozzárendelése  ” , a www.ipcc.ch oldalon (hozzáférés : 2018. szeptember 12. )
8. (en) IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis: Az éghajlati modellek és a szünet az elmúlt 15 év globális átlagos felületének felmelegedésében ( olvasható online ) , fejezet  9. („ Klímamodellek értékelése”) , 9.2. Háttérmagyarázat, 769. o
9. Aurore Voldoire és Pascale Braconnot, Klíma: Modellezés a megértés és előrejelzés céljából , 17.  o. ( online olvasás )
10. Bob Yirka (2012) Az új szimuláció 2050-re magasabb földi hőmérsékletet jósol, mint más modellek  ; Phys.org
11. Voosen Paul (2019) Az új klímamodellek felmelegedési hullámot prognosztizálnak / Science News - In Depth Global Warming | Tudomány |2019. április 19:Repülési. 364. szám, 6437. szám, pp. 222-223 | DOI: 10.1126 / science.364.6437.222

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

• Időjárás
• föld
• Általános forgalmi modell
• Óceániai általános keringési modell
• A kapcsolt modellek összehasonlítási projektje
• Klímavetítés
• Globális felmelegedés
• A gleccserek modellezése

Külső linkek

• Játékmodellek ", amelyet a Colorado Állami Egyetem kínál
• Klímamodellezés ", a CEA által készített népszerű videó .