Кіріспе

Климаттық модельдің түрі [[File:AtmosphericModelSchematic.png|thumb|right|350px|Климаттық модельдер физиканың, сұйықтықтардың қозғалысы және химияның негізгі заңдарына негізделген дифференциалдық теңдеулер жүйесі болып табылады. Модельді "іске қосу" үшін ғалымдар планетаны үш өлшемді торға бөліп, негізгі теңдеулерді қолданады және нәтижелерді бағалайды. Атмосфералық модельдер жел, жылу алмасу, сәулелену, салыстырмалы ылғалдылық және әрбір тордың ішіндегі жер беті гидрологиясын есептеп, көршілес нүктелермен өзара әрекеттесуін бағалайды. Олар екі модельді біріктіреді. Мұхит және атмосфера процестерін біріктіретін алғашқы жалпы циркуляциялық климаттық модель 1960 жылдардың соңында NOAA Геофизикалық сұйықтық динамикасы зертханасында (GFDL) әзірленді. AOGCM климаттық модельдердегі күрделіліктің ең жоғары деңгейін көрсетеді және мүмкіндігінше көп процестерді қамтиды. Дегенмен, олар әлі де дамып келеді және белгісіздіктер сақталуда. Кері байланыс эффектілерін жақсы модельдеу үшін оларды көміртек циклы сияқты басқа процестердің модельдерімен байланыстыруға болады. Мұндай біріктірілген көп жүйелі модельдер кейде "жер жүйесі модельдері" немесе "глобалдік климаттық модельдер" деп аталады. Климаттық қолдану үшін онжылдықтар мен ғасырлар мерзіміндегі нұсқалар бастапқыда Нью-Джерси штатының Принстон қаласындағы Геофизикалық сұйықтық динамикасы зертханасында (GFDL) Сиукуро Манабе және Кирк Брайан жасаған. Бұл модельдер сұйықтық динамикалық, химиялық және кейде биологиялық теңдеулердің интеграциясына негізделген.

Терминология

GCM деген аббревиатура бастапқыда Жалпы айналым моделі дегенді білдіретін. Соңғы кезде екінші мағынасы да пайда болды, атап айтқанда, Жаһандық климат моделі. Бұл екі түсінік бір-бірінен өзгеше болғанымен, климатты модельдеу үшін көбінесе Жалпы айналым модельдері қолданылады, сондықтан осы екі термин кейде бір-бірін алмастырып қолданылады. Дегенмен, "жаһандық климат моделі" термині бұлыңғыр және ол бірнеше компоненттерді, соның ішінде жалпы айналым моделін қамтитын біртұтас жүйеге, немесе климатты математикалық түрде бейнелеу үшін түрлі тәсілдерді қолданатын климат модельдерінің жалпы класына қатысты болуы мүмкін.

Атмосфералық және мұхиттық модельдер

Атмосфералық (AGCM) және мұхиттық (OGCM) жалпы циркуляция модельдері атмосфера-мұхитпен біріктірілген жалпы циркуляция моделін (CGCM немесе AOGCM) құру үшін біріктірілуі мүмкін. Теңіз мұзы моделі немесе құрлықтағы булану-транспирация моделі сияқты қосымша модельдерді қосу арқылы AOGCM толық климат моделінің негізіне айналады.

Желілік желі

AGCM үшін сұйықтық теңдеулері дискреттелген түрде жазылуы үшін шекті айырма әдісі немесе спектрлік әдіс қолданылады. Шекті айырмалар үшін атмосфераға тор жүйесі салынады. Ең қарапайым тор тұрақты бұрыштық тор аралығын (яғни, ендік/бойлық тор) пайдаланады. Дегенмен, тіктөртбұрышты емес торлар (мысалы, икосаэдрлік торлар) және айнымалы ажыратымдылыққа ие торлар жиірек қолданылады. LMDz моделі планетаның кез келген бөлігінде жоғары ажыратымдылықты қамтамасыз ету үшін конфигурациялануы мүмкін. HadGEM1 (және басқа да мұхит модельдері) Эль-Ниньо-Оңтүстік тербелісі (ENSO) процестерін жақсырақ шешу үшін тропиктерде жоғары ажыратымдылыққа ие мұхит торларын пайдаланады. Спектрлік модельдер көбінесе гаусс торларын қолданады, себебі спектрлік және тор нүктелері арасындағы түрлендіру математикасы осылай ыңғайлы. Типик AGCM ажыратымдылығы ендік немесе бойлық бойынша 1-ден 5 градусқа дейін болады: мысалы, HadCM3 бойлық бойынша 3,75 және ендік бойынша 2,5 градус пайдаланады, бұл 96 х 73 нүктелі торды (кейбір айнымалылар үшін 96 х 72) құрайды; сондай-ақ, 19 тік деңгейге ие. Бұл шамамен 500 000 «негізгі» айнымалыға әкеледі, себебі әрбір тор нүктесінде төрт айнымалы бар (u, v, T, Q), бірақ толық санау одан да көп нәтиже береді (бу, топырақ деңгейлері). HadGEM1 атмосферада бойлық бойынша 1,875 градус және ендік бойынша 1,25 градус торларын қолданады; HiGEM, жоғары ажыратымдылыққа ие нұсқасы, тиісінше 1,25 х 0,83 градус пайдаланады. Бұл ажыратымдылықтар әдеттегі ауа райын болжау үшін қолданылатындардан төмен. Мұхит ажыратымдылығы көбінесе жоғары болады, мысалы HadCM3-де атмосфералық тор нүктесіне горизонталь бағытта 6 мұхит тор нүктесі келеді. Стандартты шекті айырма модельдерінде біркелкі тор сызықтары полюстерге қарай жиналады. Бұл есептеу тұрақсыздығына (CFL шартын қараңыз) алып келеді, сондықтан модельдің айнымалылары полюстерге жақын ендік бойында сүзгіленуі керек. Мұхит модельдері де осы мәселеге тап болады, егер Солтүстік полюс жақын жердегі құрлыққа жылжытылған айналмалы тор қолданылмаса. Спектрлік модельдер бұл мәселеге тап болмайды. Кейбір тәжірибелер геодезиялық торларды және икосаэдрлік торларды қолданады, олар (біркелкірек болғандықтан) полюстерге қатысты мәселелерді тудырмайды. Тор аралығы мәселесін шешудің тағы бір тәсілі – шардың бетін жабатындай етіп Картезиандық текшені деформациялау.

Ағынды буферлеу

AOGCM-нің кейбір ерте нұсқалары тұрақты климатқа қол жеткізу үшін "ағынды түзету" процесін қажет етті. Бұл, мұхит және атмосфера модельдерінің жеке дайындалғандығынан туындады, олардың әрқайсысы екінші компоненттен күтілетін ағыннан өзгеше, жасырын ағынды пайдаланды. Мұндай модельдер бақылаулармен сәйкес келмеді. Бірақ, егер ағындар "түзетілсе", осы шынайы емес ағындарға себеп болған факторлар назардан тыс қалуы мүмкін, бұл модельдің сезімталдығына әсер ете алатын еді. Осы себепті, IPCC-нің ағымдағы есептерінде қолданылатын модельдердің көп бөлігінде бұл түзетулер қолданылмайды. Модельдерді жақсарту, қазір ағынды түзетуді қажет етпейді, оған мұхит физикасының жетілдірілуі, атмосфера мен мұхиттың жоғарырақ ажыратымдылығы және атмосфера мен мұхит субмодельдерінің физикалық тұрғыдан үйлесімділігі жатады. Жақсартылған модельдер қазір жер беті климатының тұрақты, көп ғасырлық симуляцияларын жүргізе алады, олар климаттық болжамдар жасау үшін жеткілікті сапалы деп есептеледі.

Конвекция

Ылғалды конвекция жасырын жылуды бөліп шығарады және Жердің энергиялық балансы үшін маңызды. Конвекция климаттық модельдермен анықтауға тым ұсақ масштабта жүреді, сондықтан оны параметрлер арқылы басқару қажет. Бұл 1950-ші жылдардан бері жасалып келеді. Акио Аракава осы саладағы алғашқы жұмыстардың көп бөлігін жасады, және оның схемасының түрлері әлі де қолданылып келеді, бірақ қазір әртүрлі схемалар пайдаланылады. Бұлттар да, ұқсас масштаб мәселесіне байланысты, әдетте параметрлер арқылы өңделеді. Бұлттарды толық түсінбеу осы стратегияның сәттілігін шектеді, бірақ бұл әдістің өзіндегі кемшіліктерге байланысты емес.

Бағдарламалық жасақтама

Модельдердің көпшілігі бақылаулармен салыстыру немесе атмосфералық процестерді зерттеу үшін кең ауқымды айнымалыларды диагностикалайтын бағдарламалық қамтамасыз етуді қамтиды. Мысалы, 2 метрлік температура, бұл жер бетіне жақын ауа температурасын бақылау үшін қолданылатын стандартты биіктік. Бұл температура модельден тікелей болжанбайды, бірақ жер беті мен модельдің ең төменгі қабатының температурасынан есептеледі. Басқа бағдарламалық жасақтама суреттер мен анимация жасауға арналған.

Болжамдар

thumb|480px|right|alt=21 ғасырда жаһандық орташа температураның өзгеруі әлем бойынша әртүрлі болады деп болжанады|1970 жылдан 2100 жылға дейінгі ауаның жылдық орташа температурасы, SRES A1B эмиссиялық сценарийіне негізделген, NOAA GFDL CM2.1 климаттық моделін қолдана отырып (кредит: NOAA Геофизикалық сұйықтық динамикасы зертханасы)
Жұптасқан AOGCM-дер (атмосфера-мұхит жалпы циркуляциялық модельдер) әртүрлі сценарийлер бойынша климаттық өзгерістерді жобалау/болжау үшін уақытша климаттық симуляцияларды пайдаланады. Бұл сценарийлер идеалды түрде болуы мүмкін (көбінесе, CO2 эмиссиясы жылына 1%-ға өседі) немесе соңғы тарихқа негізделген (әдетте "IS92a" немесе соңғы кезде SRES сценарийлері). Қай сценарий ең шындыққа жақын екені әлі белгісіз. 2001 жылғы IPCC үшінші бағалау есебінің 9.3-суреті 19 түрлі жұптасқан модельдің идеалды экспериментке жаһандық орташа жауабын көрсетеді, онда эмиссия жылына 1% -ға өсті. 9.5-суретте соңғы үрдістерге жауап беретін кішірек модельдердің жауабы көрсетілген. Мұнда көрсетілген 7 климаттық модель бойынша 2100 жылға дейінгі температураның өзгеруі 2-ден 4,5 °C-қа дейін, ал орташа мәні шамамен 3 °C-қа дейін құрайды. Болашақ сценарийлерге белгісіз оқиғалар, мысалы, жанартау жарылыстары немесе күн сәулесінің өзгеруі кірмейді. Бұл әсерлердің ұзақ мерзімді перспективада парниктік газдардың (ПГ) әсерімен салыстырғанда шағын екені есептеледі, бірақ мысалы, ірі жанартау жарылыстары айтарлықтай уақытша салқындату әсерін тигізуі мүмкін. Адамның парниктік газдар эмиссиясы модельдің кіріс дерегі болып табылады, бірақ оларды қамтамасыз ету үшін экономикалық/технологиялық қосалқы модельді қосуға болады. Атмосфералық ПГ деңгейлері әдетте кіріс ретінде беріледі, бірақ мұндай деңгейлерді есептеу үшін өсімдіктер мен мұхит процестерін көрсететін көміртек айналымының моделін қосуға болады.

Эмиссия сценарийлері

[[Файл:SRES A1B эмиссия сценарийіне негізделген 20-ғасырдың аяғынан 21-ғасырдың ортасына дейінгі жыл сайынғы орташа жер бетіндегі ауа температурасының болжамды өзгеруі.png|thumb|left|alt=21-ғасырдағы әлемдік орташа температура өзгерісінің болжамы|SRES A1B эмиссия сценарийіне негізделген 20-ғасырдың аяғынан 21-ғасырдың ортасына дейінгі жыл сайынғы орташа жер бетіндегі ауа температурасының болжамды өзгеруі (авторы: NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)

2008 жылы бір зерттеуде бірнеше эмиссия сценарийлерін пайдаланып климаттық болжамдар жасалды. Егер әлемдік эмиссиялар 2010 жылға қарай азая бастап, содан кейін жылына 3% төмендеуі болжамдалса, 2050 жылға қарай әлемдік орташа температураның индустриалдық дәуірге дейінгі деңгейден 1,7 °C жоғарылайтыны, ал 2100 жылға қарай шамамен 2 °C-қа дейін көтерілуі күтілді. Әлемдік эмиссияларды азайтуға ешқандай күш жұмсалмаған жағдайды симуляциялау мақсатымен жасалған болжамда 2100 жылға қарай әлемдік орташа температураның 5,5 °C-қа көтерілуі болжалды. 7 °C-қа дейін көтерілу мүмкін деп есептелді, бірақ бұл азырақ ықтимал. Тағы бір эмиссияны азайтуға қатысты емес сценарий құрлықтағы орташа жылынудың (2090–99 жылдар аралығындағы 1980–99 жылдар аралығымен салыстырғанда) 5,1 °C-қа тең болуына әкелді. Сол эмиссия сценарийі бойынша, бірақ басқа модель қолданылғанда, болжамды орташа жылыну 4,1 °C болды.

Ауа райы болжамына қатысты

Жаһандық климаттық модельдер, климаттық болжамдар үшін қолданылатын, ауа райын болжау үшін жасалған сандық модельдермен құрылымдық тұрғыдан ұқсас (және көбінесе компьютерлік кодты бөліседі), бірақ бәрібір логикалық жағынан ерекшеленеді. Ауа райын болжаудың көп бөлігі сандық модельдердің нәтижелерін түсіндіру негізінде жүзеге асырылады. Болжамдар әдетте бірнеше күн немесе бір аптаға жасалады, ал теңіз бетінің температурасы салыстырмалы түрде баяу өзгеретіндіктен, мұндай модельдерде әдетте мұхит моделі болмайды, олар орнатылған SST деректеріне сүйенеді. Сонымен қатар, болжамды бастау үшін нақты бастапқы жағдайлар қажет, олар әдетте бақылаулармен үйлестірілген бұрынғы болжамның нәтижелерінен алынады. Ауа райы болжамдарына климаттық болжамдарға қарағанда жоғары уақыттық ажыратымдылық қажет, көбінесе климаттың айлық немесе жылдық орташа көрсеткіштерімен салыстырғанда сағаттық немесе одан да жоғары ажыратымдылық талап етіледі. Алайда, ауа райы болжамы шамамен 10 күнге ғана жасалғандықтан, модельдер климаттық модельдерге қарағанда жоғары вертикальді және көлденең ажыратымдылықта жұмыс істей алады. Қазіргі уақытта ECMWF климаттық модельдерде қолданылатын масштабқа қарағанда жоғары ажыратымдылықта жұмыс істейді. Жергілікті модельдер көбінесе жаһандық модельдердің нәтижелерін шекаралық шарттар ретінде пайдалана отырып, жоғары жергілікті ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін іске қосылады: мысалы, Метеорологиялық қызмет Ұлыбританияны қамтитын ажыратымдылықпен мезомасштабты модельді іске қосады, ал АҚШ-тағы әртүрлі агенттіктер NGM және NAM модельдері сияқты модельдерді пайдаланады. ГФС сияқты көптеген жаһандық сандық ауа райы болжау модельдері сияқты, жаһандық климаттық модельдер де көбінесе торлық модельдердің орнына спектрлік модельдер болып табылады. Спектрлік модельдер глобалды модельдер үшін жиі қолданылады, өйткені модельдеудегі кейбір есептеулерді жылдамдатуға болады, соның салдарынан есептеу уақыты қысқарады.

Орташа күрделіліктегі Жер жүйесі модельдері (EMIC)

Climber 3 моделі 2,5 өлшемді статистикалық динамикалық модельді 7,5° × 22,5° ажыратымдылығымен және күндің жартысы (1/2) мерзімділікпен пайдаланады. Мұхиттық субмоделі – MOM 3 (Модульдік мұхит моделі), 3,75° × 3,75° тормен және 24 тік деңгейден тұрады.

Радиациялық-конвекциялық модельдер (РКМ)

1980 және 1990 жылдары негізгі климаттық ережелерді растау үшін бір өлшемді, сәулелену-конвекциялық модельдер пайдаланылды.

Жер жүйесі үлгілері

ГКМ Жер жүйесі модельдерінің құрамына кіре алады, мысалы, Гренландия және Антарктика мұздықтарының динамикасы үшін мұздық модельдерін, сондай-ақ климат үшін маңызды заттарды тасымалдау үшін бір немесе бірнеше химиялық тасымалдау модельдерін (ХТМ) қосу арқылы. Осылайша, көміртегі химиясы тасымалдау моделі ГКМ-ге антропогендік факторлардың көмірқышқыл газы концентрациясына тигізетін өзгерістерін дұрыс болжауға көмектеседі. Бұдан өзге, бұл тәсіл жүйелер арасындағы өзара әсерді ескеруге мүмкіндік береді: мысалы, химиялық-климаттық модельдер климаттың өзгеруінің озон қабатына тигізетін әсерін зерттеуге пайда болады.

Тарих

1956 жылы Норман Филлипс тропосферадағы айлық және маусымдық өзгерістерді шынайы бейнелейтін математикалық модельді жасады. Ол алғашқы табысты климаттық модель болды. Филлипстің жұмысынан кейін бірнеше топтар GCM модельдерін жасауға кірісті. Мұхит және атмосфера процестерін біріктірген алғашқы модель 1960 жылдардың соңында NOAA Геофизикалық сұйықтық динамикасы зертханасында жасалды. 1996 жылы топырақ және өсімдік түрлерін модельдеу жұмыстары басталды. Кейін Хэдли Климатты болжау және зерттеу орталығының HadCM3 моделі мұхит пен атмосфера элементтерін біріктірді.