Model climatic

Un model climatic este o modelare matematică a climatului într-o anumită zonă geografică.

Din punct de vedere istoric, primul model atmosferic datează din 1950 și a fost testat pe primul computer existent, ENIAC . Ca de 4 - lea  raport al IPCC ( 2007 ), numărul de modele independente utilizate de diferite laboratoare climatologie din întreaga lume au fost 23.

Multe tipuri de modele variind ca complexitate. Cele mai simple vă permit să înțelegeți foarte bine ceea ce se întâmplă; cele mai complexe ne permit să abordăm realitatea.

Descriere

Există diferite tipuri de modele, de la un echilibru energetic simplu la modele globale ale sistemului Pământ care reprezintă într-un mod complex diferitele componente ale sistemului Pământ - atmosferă, ocean, gheață marină, biosferă continentală etc. - și interacțiunile acestora.

Printre modelele detaliate în 5 - lea raport al IPCC sunt:

• Modelele cuplate ocean-atmosferă . Aceste modele au reprezentat cea mai mare parte a modelelor utilizate și evaluate în 4 - lea IPCC raport. Acestea sunt alcătuite din mai multe modele (un model de ocean , un model de atmosferă , un model de gheață de mare , un model care reprezintă continentele (vegetație, scurgeri etc.)) care își schimbă informațiile (cuplarea). De exemplu, temperaturile de la suprafața atmosferică, calculate de modelul atmosferei, servesc drept date de intrare la modelul oceanului pentru calcularea temperaturilor de la suprafața oceanului și invers. Aceste modele sunt încă utilizate pe scară largă astăzi.
• Modele ale sistemului Pământ . Aceste modele sunt dezvoltarea modelelor cuplate ocean-atmosferă, la care se adaugă simularea ciclurilor biogeochimice . Acestea constituie astăzi cele mai complete instrumente pentru realizarea proiecțiilor climatice pentru care feedback-urile legate de ciclurile biogeochimice sunt importante.
• Modele ale sistemului Pământ de complexitate intermediară . Aceste modele includ componentele modelelor sistemului Pământ, dar adesea într-un mod idealizat sau la rezoluție mică, pentru a fi mai puțin costisitoare în puterea de calcul. Acestea permit studierea unor întrebări specifice, de exemplu, înțelegerea anumitor procese de feedback.
• Modele regionale . Sunt similare cu modelele anterioare, dar domeniul lor spațial acoperă doar o parte a pământului. Domeniul lor fiind mai mic, este posibil să existe o rezoluție spațială mai bună (dimensiunea rețelei mai mici) și temporală pentru același cost de calcul comparativ cu un model total. Informațiile la granițe sunt de obicei furnizate de modele globale.

Modele generale de circulație

Modelul general de circulație implică circulația atmosferică și oceanică la scară planetară . Există, de asemenea, complexități variabile, cel mai simplu fiind capabil să modeleze doar circulația atmosferică în conformitate cu ecuațiile Navier-Stokes și mai complex ținând cont de mulți parametri, cum ar fi rugozitatea solului, vegetația, vulcanologia ...

Construcție model clasic

Modelele climatice se bazează pe legile fundamentale ale fizicii, adică pe conservarea energiei , a masei și a impulsului . Aceste legi, aplicate fluidelor (aer pentru atmosferă și apă pentru ocean) și puse în ecuații, sunt cunoscute sub numele de ecuații Navier-Stokes . Aceste ecuații sunt apoi simplificate prin plasarea lor în cadrul anumitor aproximări. Aceste ecuații simplificate, numite ecuații primitive , stau la baza modelului. Pentru modelarea ciclurilor biogeochimice, se impune raportul Redfield și, prin urmare, constituie adesea una dintre ecuațiile de bază.

Aceste ecuații trebuie apoi implementate pe un computer. Pentru asta :

• Stabilim o plasă artificială, tridimensională a mediului pe care dorim să-l modelăm (de exemplu: atmosferă) împărțim practic zona geografică în ochiuri de câțiva kilometri de fiecare parte. Dimensiunea mesh-ului va condiționa timpul de calcul.
• Rezolvăm ecuațiile din interiorul fiecărei casete pentru a determina câțiva parametri considerați caracteristici pentru sistemul în ansamblu. Acestea pot include temperatura medie și distribuția acesteia, precipitațiile sezoniere, umiditatea medie, acoperirea vegetației , viteza și direcția vântului etc.

• Am programa tot acest model matematic, în limbaj de calculator .

La sfârșitul acestui proces, modelul este testat față de observațiile pe teren, ceea ce îmbunătățește în cele din urmă modelul anterior.

Aplicații

Alegerea modelului depinde de întrebarea științifică pusă. Aceste modele permit, printre altele:

• Studiul climei din trecut, fie pe principalele perioade de evoluție a Pământului ( Paleoclimatologie ) sau perioada recenta a 20 - lea  secol.
• Analiza și înțelegerea mecanismelor fizice asociate cu anumite evenimente climatice (cum ar fi încetinirea creșterii temperaturilor de suprafață atmosferice în anii 2000).
• Analiza și înțelegerea așa-numitei variabilități climatice „interne”, adică legată de interacțiunile interne ale sistemului Pământ, de exemplu legate de schimburile de căldură dintre ocean și atmosferă.
• Detectarea și atribuirea schimbărilor climatice, adică detectarea fluctuațiilor climatice relative la un climat mediu și atribuirea unei cauze, adică înțelegerea mecanismului fizic care o provoacă.
• Previziuni climatice, adică prognozarea fluctuațiilor climatice, din toate sursele
• Proiecțiile climatice, adică răspunsul climatului la o schimbare externă dată. De obicei, proiecțiile climatice pentru 21 st  secolului corespunde răspunsul climei la modificarea concentrației de gaze cu efect de seră în atmosferă. Ele nu sunt destinate să prezică fluctuațiile interne legate de interacțiunile dintre ocean și atmosferă. Aceste fluctuații interne pot masca, de asemenea, acest răspuns pe anumiți indicatori în anumite perioade, așa cum sa întâmplat în anii 2000, când a fost observat un platou în evoluția temperaturii globale.

Incertitudini și evaluare

Modelele climatice sunt imperfecte. Parametrizarea, care face posibilă luarea în considerare a proceselor fizice la o scară mai mică decât cea a celulei model, este principala sursă de incertitudine în modelele climatice.

Configurația grilelor (pe care sunt discreționate ecuațiile fizice) și alegerea parametrilor sunt specifice fiecărui model. Acest lucru duce la diferențe în datele de ieșire care permit estimarea incertitudinii datorate acestor imperfecțiuni. Această incertitudine este luată în considerare în proiecțiile climatice.

Toate modelele climatice sunt evaluate comparându-le cu observațiile. Această comparație model-observare ia în considerare incertitudinile privind simulările, dar și observațiile (în special legate de eșantionarea limitată). Evaluarea se referă în special la:

• Clima medie: incluzând circulația atmosferică, circulația oceanelor, temperatura medie, acoperirea cu gheață marină etc.
• Capacitatea de a reproduce corect ciclul sezonier în fiecare regiune
• Capacitatea de a simula variabilitatea interanuală până la decenială (evenimente El Niño , acoperire minimă de gheață marină, variații ale modurilor de variabilitate, cum ar fi oscilația Atlanticului de Nord
• Capacitatea de a simula tendințele recente observate (topirea gheții marine, încălzirea globală, creșterea nivelului mării etc.)

Progres tehnic și număr de modele

Predicția climatică a fost revoluționată de progresele în modelare, ele însele stimulate de apariția sateliților artificiali care colectează o mulțime de date despre starea atmosferei (umiditate, tulbure , temperatură etc.), precum și prin dezvoltarea vremii. stații la sol.

Puterea de calcul este, de asemenea, decisivă în climatologie . Creșterea exponențială a făcut posibilă adăugarea mai multor parametri la model și reducerea ochiurilor de la sol. Timpul simulării unei luni de evoluție a fost împărțit la peste 100 în 20 de ani (din 1980 până în 2000 ). Utilizarea supercomputerelor este în prezent norma. Programele de cercetare finanțate de G8-HORC își propun în prezent să actualizeze modelele pentru a face cea mai bună utilizare a viitorilor supercalculatori exaflopici .

Modelele climatice sunt unul dintre instrumentele esențiale utilizate de experții IPCC pentru a calcula consecințele probabile ale încălzirii globale .

Ca de 4 - lea  raport al IPCC ( 2007 ), numărul de modele independente utilizate de diferite laboratoare climatologiei a fost de 23 în lume. Acest număr a crescut , deoarece pentru a prepara 5 - lea  raport și pentru 6 - lea  raport (datorat în 2021).

O tendință recentă este că, cu aceleași date de intrare, modelele de nouă generație (teoretic mult mai precise) tind să prezică temperaturi mai calde decât modelele mai vechi (mai simple).

Astfel, pentru o dublare a CO2 în aer în comparație cu nivelurile pre-industriale, primele modele au anunțat +1 ° C în 2100, dar a doua generație de modele a sugerat că între 2020 și 2070 s-ar ajunge deja la +1 ° C, atunci o a treia generație de simulări, s-a bazat pe o putere de calcul sporită de utilizarea combinată a mii de computere, concluzionând că o încălzire ar putea atinge 3 ° C în 2100. Apoi, o modelare (climateprediction.net) a prezis înmartie 2012(în Nature. Geoscience) că +1,4 ° C până la +3,0 ° C ar putea fi atins deja în 2050. Această a treia generație de modele a prezis +2 ° C până la +4,5 ° C la sfârșitul secolului (odată cu climatul și planeta sistemul este echilibrat). Dar în 2019, cel puțin opt dintre modelele de ultimă generație dezvoltate și testate de marile centre științifice din SUA, Marea Britanie, Canada și Franța, concluzionează că +5 ° C (și chiar mai mari) ar putea fi atinse în 2100. Chiar și designerii dintre aceste modele cred că o astfel de încălzire este puțin probabilă. O ipoteză este că există o părtinire în modelul de simulare al sistemului Pământ (totuși mai precis decât oricând). Înaprilie 2019, această prejudecată nu este încă identificată.
Sensibilitățile climatice ale modelelor ar putea fi mai puțin accentuate în cea de-a 6-a evaluare climatică a Statelor Unite, în favoarea unui studiu al constrângerilor legate de climatul antic în comparație cu observațiile moderne.

Note și referințe

1. (en) Gregory Flato, IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis ( citiți online ) , cap.  9 („Evaluarea modelelor climatice”) , p746
2. (în) Claussen M. , Mysak L. Weaver A. și Crucifix M. , "  Modele de sistem terestru de complexitate intermediară: închiderea decalajului în spectrul modelelor de sistem climatic  " , Climate Dynamics , vol.  18, nr .  7,1 st martie 2002, p.  579-586 ( ISSN  0930-7575 și 1432-0894 , DOI  10.1007 / s00382-001-0200-1 , citit online , accesat la 14 septembrie 2018 )
3. (en) IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. ( citește online ) , cap.  9 („Evaluarea modelelor climatice”) , p.  748
4. (în) Adam C. Martiny , TA Chau Pham , W. Francois Primeau , Jasper A. Vrugt , J. Keith Moore , Simon A. Levin și Michael W. Lomas , „  Modele latitudinale puternice în raporturile elementare ale planctonului marin și materie organică  ” , Nature Geoscience ,17 martie 2013( DOI  10.1038 / ngeo1757 )
5. (în) Gregory Flato, IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis ( citiți online ) , cap.  9 („Evaluarea modelelor climatice”) , Caseta 9.1, p749
6. (în) "  Schimbările climatice 2013 - baza științei fizice  " , Cambridge Core ,2009, p.  746 ( DOI  10.1017 / cbo9781107415324 , citit online , accesat la 12 septembrie 2018 )
7. „  9.1.2 Ce sunt detectarea și atribuirea schimbărilor climatice? - AR4 WGI Capitolul 9: Înțelegerea și atribuirea schimbărilor climatice  ” , pe www.ipcc.ch (accesat la 12 septembrie 2018 )
8. (en) IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis: Climate models and the hiatus in global global surface wmarmarm of the last 15 years ( citiți online ) , cap.  9 („Evaluarea modelelor climatice”) , Caseta 9.2, p769
9. Aurore Voldoire și Pascale Braconnot, Clima: Modelare pentru a înțelege și a anticipa , p17  p. ( citește online )
10. Bob Yirka (2012) O nouă simulare prezice temperaturi medii ale Pământului mai ridicate până în 2050 decât alte modele  ; Phys.org
11. Voosen Paul (2019) Noile modele climatice prognozează o creștere a încălzirii / Știri științifice - În profunzime încălzirea globală | Știință |19 aprilie 2019:Zbor. 364, Ediția 6437, pp. 222-223 | DOI: 10.1126 / science.364.6437.222

Vezi și tu

Articole similare

• Vreme
• Pământ
• Modelul general de circulație
• Modelul de circulație generală oceanică
• Proiect intercomparare modele cuplate
• Proiecția climei
• Încălzire globală
• Modelarea ghețarilor

linkuri externe

• Modele de jucării "oferite de Colorado State University
• Modelare climatică ”, videoclip popular realizat de CEA .