Modelo climático

Un modelo climático es un modelo matemático del clima en un área geográfica determinada.

Históricamente, el primer modelo atmosférico data de 1950 y se probó en la primera computadora existente, la ENIAC . A partir del 4 º  informe del IPCC ( 2007 ), el número de modelos independientes utilizados por diferentes laboratorios en todo el mundo climatología eran 23.

Muchos tipos de modelos varían en complejidad. Los más simples le permiten tener una muy buena comprensión de lo que está sucediendo; las más complejas nos permiten acercarnos a la realidad.

Descripción

Existen diferentes tipos de modelos que van desde un simple balance energético hasta modelos del sistema terrestre global que representan de manera compleja los diferentes componentes del sistema terrestre - Atmósfera, Océano, Hielo marino, Biosfera continental, etc. - y sus interacciones.

Entre los modelos que se describen en el 5 ° informe del IPCC son:

• Los modelos acoplados océano-atmósfera . Estos modelos representaron la mayor parte de los modelos utilizados y evaluados en el 4 ° informe del IPCC. Están formados por varios modelos (un modelo oceánico , un modelo atmosférico , un modelo de hielo marino , un modelo que representa los continentes (vegetación, escorrentía, etc.)) que intercambian su información (acoplamiento). Por ejemplo, las temperaturas de la superficie atmosférica, calculadas por el modelo de la atmósfera, sirven como datos de entrada al modelo oceánico para el cálculo de las temperaturas de la superficie del océano y viceversa. Estos modelos todavía se utilizan ampliamente en la actualidad.
• Modelos del sistema terrestre . Estos modelos son el desarrollo de modelos acoplados océano-atmósfera, a los que se suma la simulación de ciclos biogeoquímicos . Constituyen hoy las herramientas más completas para la realización de proyecciones climáticas para las que son importantes las retroalimentaciones vinculadas a los ciclos biogeoquímicos.
• Modelos del sistema terrestre de complejidad intermedia . Estos modelos incluyen los componentes de los modelos del sistema de la Tierra, pero a menudo de forma idealizada, o en baja resolución, para ser menos costosos en potencia de cálculo. Permiten el estudio de cuestiones específicas, por ejemplo la comprensión de determinados procesos de retroalimentación.
• Modelos regionales . Son similares a los modelos anteriores, pero su dominio espacial cubre solo una parte del globo terrestre. Al ser su dominio más pequeño, es posible tener una mejor resolución espacial (tamaño de la malla más pequeña) y temporal por el mismo costo de cálculo en comparación con un modelo total. La información en las fronteras suele ser proporcionada por modelos globales.

Modelos de circulación general

El modelo de circulación general implica la circulación atmosférica y oceánica a escala planetaria . También existen complejidades variables, la más simple pudiendo modelar solo la circulación atmosférica según las ecuaciones de Navier-Stokes y la más compleja teniendo en cuenta muchos parámetros como rugosidad del suelo, vegetación, vulcanología ...

Construcción de modelo clásico

Los modelos climáticos se basan en las leyes fundamentales de la física, es decir, la conservación de la energía , la masa y el momento . Estas leyes, aplicadas a los fluidos (aire para la atmósfera y agua para el océano) y puestas en ecuaciones, se conocen como ecuaciones de Navier-Stokes . Estas ecuaciones luego se simplifican ubicándose dentro del marco de ciertas aproximaciones. Estas ecuaciones simplificadas, llamadas ecuaciones primitivas , son la base del modelo. Para el modelado de ciclos biogeoquímicos, se impone la relación de Redfield y, por lo tanto, a menudo constituye una de las ecuaciones básicas.

Luego, estas ecuaciones deben implementarse en una computadora. Por eso :

• Establecemos una malla tridimensional artificial del medio que queremos modelar (por ejemplo: atmósfera) dividimos virtualmente el área geográfica en mallas de varios kilómetros de cada lado. El tamaño de la malla condicionará el tiempo de cálculo.
• Resolvemos las ecuaciones dentro de cada cuadro para determinar algunos parámetros considerados como característicos del sistema en su conjunto. Estos pueden incluir la temperatura promedio y su distribución, precipitación estacional, humedad promedio, cobertura vegetal , velocidad y dirección del viento , etc.

• Nosotros programamos el conjunto de este modelo matemático, en lenguaje informático .

Al final de este proceso, el modelo se prueba con observaciones de campo, lo que finalmente mejora el modelo anterior.

Aplicaciones

La elección del modelo depende de la pregunta científica formulada. Estos modelos permiten, entre otras cosas:

• El estudio del clima pasado, ya sea en los principales períodos de evolución de la Tierra ( paleoclimatología ) o el reciente periodo de la 20 ª  siglo.
• Análisis y comprensión de los mecanismos físicos asociados con ciertos eventos climáticos (como la desaceleración del aumento de las temperaturas de la superficie atmosférica durante la década de 2000).
• El análisis y comprensión de la denominada variabilidad climática "interna", es decir, vinculada a interacciones internas del sistema terrestre, por ejemplo vinculadas a intercambios de calor entre el océano y la atmósfera.
• Detección y atribución del cambio climático, es decir, detección de fluctuaciones climáticas en relación con un clima promedio y atribución a una causa, es decir, comprensión del mecanismo físico que lo causa. Es el origen
• Pronósticos climáticos, es decir, pronosticar las fluctuaciones climáticas, de todas las fuentes.
• Proyecciones climáticas, es decir, la respuesta del clima a un cambio externo dado. Típicamente, las proyecciones climáticas para el 21 st  corresponden siglo a la respuesta del clima al cambio en la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera. No pretenden predecir las fluctuaciones internas vinculadas a las interacciones entre el océano y la atmósfera. Estas fluctuaciones internas también pueden enmascarar esta respuesta en ciertos indicadores durante ciertos períodos, como fue el caso en la década de 2000 cuando se observó un estancamiento en la evolución de la temperatura global.

Incertidumbres y valoración

Los modelos climáticos son imperfectos. La parametrización, que permite tener en cuenta procesos físicos de escala menor que la de la celda modelo, es la principal fuente de incertidumbre en los modelos climáticos.

La configuración de las cuadrículas (sobre las que se discretizan las ecuaciones físicas) y la elección de los parámetros son específicos de cada modelo. Esto da lugar a diferencias en los datos de salida que permiten estimar la incertidumbre debida a estas imperfecciones. Esta incertidumbre se tiene en cuenta en las proyecciones climáticas.

Todos los modelos climáticos se evalúan comparándolos con las observaciones. Esta comparación modelo-observación tiene en cuenta las incertidumbres de las simulaciones, pero también de las observaciones (en particular, vinculadas al muestreo limitado). La evaluación se refiere en particular a:

• Clima medio: incluida la circulación atmosférica, la circulación oceánica, la temperatura media, la capa de hielo marino , etc.
• La capacidad de reproducir correctamente el ciclo estacional en cada región.
• La capacidad de simular la variabilidad interanual a decenal (eventos de El Niño , capa mínima de hielo marino, variaciones en los modos de variabilidad como la Oscilación del Atlántico Norte
• La capacidad de simular las tendencias recientes observadas (derretimiento del hielo marino, calentamiento global, aumento del nivel del mar, etc.)

Progreso técnico y número de modelos

La predicción climática se ha visto revolucionada por los avances en la modelización, impulsados ​​a su vez por la llegada de satélites artificiales que recogen una gran cantidad de datos sobre el estado de la atmósfera (humedad, nubosidad , temperatura, etc.), así como por el desarrollo de la meteorología. estaciones en el suelo.

El poder de los ordenadores también es decisivo en climatología . Incrementando exponencialmente, permitió agregar más parámetros al modelo y reducir la malla en el suelo. El tiempo de una simulación de un mes de evolución se ha dividido por más de 100 en 20 años (de 1980 a 2000 ). El uso de supercomputadoras es actualmente la norma. Los programas de investigación financiados por el G8-HORC tienen como objetivo actualizar los modelos para poder hacer el mejor uso de las futuras supercomputadoras exaflopicas .

Los modelos climáticos son una de las herramientas esenciales que utilizan los expertos del IPCC para calcular las probables consecuencias del calentamiento global .

A partir del 4 º  informe del IPCC ( 2007 ), el número de modelos independientes utilizados por diferentes laboratorios climatología fue de 23 en el mundo. Ya que este número ha crecido para preparar el 5 º  informe y para el 6 º  informe (debido en 2021).

Una tendencia reciente es que con las mismas entradas de datos, los modelos de nueva generación (teóricamente mucho más precisos) tienden a predecir temperaturas más cálidas que los modelos más antiguos (más simples).

Así, para duplicar el CO2 en el aire en comparación con los niveles preindustriales, los primeros modelos anunciaron +1 ° C en 2100, pero la segunda generación de modelos sugirió que entre 2020 y 2070 ya se alcanzaría +1 ° C, entonces un tercera generación de simulaciones, se basó en una potencia informática impulsada por el uso combinado de miles de computadoras, concluyendo que un calentamiento podría alcanzar los 3 ° C en 2100. Luego, un modelo (weatherprediction.net) predicho enmarzo 2012(en Nature. Geociencia) que de +1,4 ° C a +3,0 ° C ya podría alcanzarse en 2050. Esta tercera generación de modelos predijo +2 ° C a +4,5 ° C a finales de siglo (una vez que el clima y el planeta el sistema está equilibrado). Pero en 2019, al menos ocho de los modelos de próxima generación desarrollados y probados por los principales centros científicos de EE. UU., Reino Unido, Canadá y Francia, concluyen que se podrían alcanzar +5 ° C (e incluso más) en 2100. Incluso los diseñadores de estos modelos creen que tal calentamiento es poco probable. Una hipótesis es que existe un sesgo en el modelo de simulación del sistema terrestre (aún más preciso que nunca). Enabril de 2019, este sesgo aún no se ha identificado.
Las sensibilidades climáticas de los modelos podrían ser menos enfatizadas en la sexta evaluación climática de los Estados Unidos, a favor de un estudio de las limitaciones vinculadas al clima antiguo en relación con las observaciones modernas.

Notas y referencias

1. (en) Gregory Flato, IPCC, 2013: Cambio Climático 2013: Bases de la Ciencia Física ( leer on-line ) , cap.  9 (“Evaluación de modelos climáticos”) , p746
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9. Aurore Voldoire y Pascale Braconnot, Clima: Modelado para comprender y anticipar , p17  p. ( leer en línea )
10. Bob Yirka (2012) La nueva simulación predice temperaturas promedio de la Tierra más altas para 2050 que otros modelos  ; Phys.org
11. Voosen Paul (2019) prevén nuevos modelos climáticos una oleada calentamiento / Noticias de la ciencia - En Profundidad Calentamiento Global | Ciencia |19 de abril de 2019:Vuelo. 364, número 6437, págs. 222-223 | DOI: 10.1126 / science.364.6437.222

Ver también

Artículos relacionados

• Tiempo
• tierra
• Modelo de circulación general
• Modelo de circulación general oceánica
• Proyecto de intercomparación de modelos acoplados
• Proyección climática
• Calentamiento global
• Modelización de glaciares

enlaces externos

• Modelos de juguetes "ofrecidos por la Universidad Estatal de Colorado
• Modelado climático ”, Popular video realizado por la CEA .