İklim modeli

Bir iklim modeli bir olan matematiksel modelleme ve iklimi , belirli bir coğrafi bölgede.

Tarihsel olarak, ilk atmosferik model 1950'den kalmadır ve mevcut ilk bilgisayar olan ENIAC'da test edilmiştir . İtibariyle 4 inci  raporu IPCC ( 2007 ), farklı klimatoloji laboratuvarlarında kullanılan bağımsız modellerin sayısı dünya çapında 23 idi.

Karmaşıklığa göre değişen birçok model türü. En basit olanı, neler olduğunu çok iyi anlamanıza izin verir; en karmaşık olanı gerçeğe yaklaşmamıza izin verir.

Açıklama

Basit bir enerji dengesinden, Dünya sisteminin farklı bileşenlerini (Atmosfer, Okyanus, Deniz buzu, Kıta biyosfer vb.) Ve bunların etkileşimlerini karmaşık bir şekilde temsil eden küresel Dünya sistemi modellerine kadar değişen farklı model türleri vardır.

Ayrıntılı modeller arasında 5 inci raporu IPCC şunlardır:

• Birleşik okyanus-atmosfer modelleri . Bu modeller kullanılan ve değerlendirilen modellerin en sorumluydu 4 th IPCC raporunda. Bilgi alışverişinde bulunan (birleştirme) birkaç modelden (bir okyanus modeli , bir atmosfer modeli , bir deniz buzu modeli, kıtaları temsil eden bir model (bitki örtüsü, yüzey akışı vb.)) Oluşurlar. Örneğin, atmosfer modeli tarafından hesaplanan atmosferik yüzey sıcaklıkları, okyanus yüzey sıcaklıklarının hesaplanması için okyanus modeline girdi verileri olarak hizmet eder ve bunun tersi de geçerlidir. Bu modeller günümüzde hala yaygın olarak kullanılmaktadır.
• Dünya sisteminin modelleri . Bu modeller, biyojeokimyasal döngülerin simülasyonunun eklendiği, bağlantılı okyanus-atmosfer modellerinin geliştirilmesidir . Biyojeokimyasal döngülerle bağlantılı geri bildirimlerin önemli olduğu iklim projeksiyonlarının gerçekleştirilmesi için bugün en eksiksiz araçları oluşturmaktadırlar .
• Orta karmaşıklıktaki Dünya sisteminin modelleri . Bu modeller, hesaplama gücünde daha ucuz olmak için, genellikle idealleştirilmiş bir şekilde veya düşük çözünürlükte Earth sistem modellerinin bileşenlerini içerir. Örneğin belirli geri bildirim süreçlerinin anlaşılması gibi belirli soruların çalışılmasına izin verirler.
• Bölgesel modeller . Önceki modellere benzerler, ancak uzaysal alanları dünyanın sadece bir bölümünü kaplar. Etki alanları daha küçük olduğundan, toplam modele kıyasla aynı hesaplama maliyeti için daha iyi bir uzamsal çözünürlüğe (daha küçük ağın boyutu) ve zamansal olarak sahip olmak mümkündür. Sınırlardaki bilgiler genellikle küresel modellerle sağlanır.

Genel dolaşım modelleri

Genel çevrim modeli kapsar atmosferik ve okyanus dolaşımı üzerinde bir gezegen ölçeğinde . Ayrıca değişken karmaşıklıklar da vardır, en basit olanı Navier-Stokes denklemlerine göre yalnızca atmosferik dolaşımı modelleyebilmektir ve daha karmaşık olanı toprak pürüzlülüğü, bitki örtüsü, volkanoloji gibi birçok parametreyi hesaba katarak ...

Klasik model yapımı

İklim modelleri, fiziğin temel yasalarına, yani enerjinin , kütlenin ve momentumun korunumuna dayanır . Sıvılara (atmosfer için hava ve okyanus için su) uygulanan ve denklemler biçiminde konulan bu yasalar, Navier-Stokes denklemleri olarak bilinir . Bu denklemler daha sonra kendilerini belirli yaklaşımlar çerçevesinde yerleştirerek basitleştirilir. İlkel denklemler olarak adlandırılan bu basitleştirilmiş denklemler, modelin temelini oluşturur. Biyojeokimyasal döngülerin modellenmesi için Redfield oranı empoze edilir ve bu nedenle genellikle temel denklemlerden birini oluşturur.

Bu denklemler daha sonra bir bilgisayarda uygulanmalıdır. Onun için :

• Biz bir tesis suni, üç boyutlu örgü (: atmosfer örneğin) biz neredeyse her tarafta birkaç kilometre kafes içine coğrafi bölgeyi bölmek biz modele istediğiniz ortamın. Ağın boyutu hesaplama süresini belirleyecektir.
• Bir bütün olarak sistem için karakteristik kabul edilen bazı parametreleri belirlemek için her kutudaki denklemleri çözeriz. Bunlar, ortalama sıcaklık ve dağılımını, mevsimsel yağışları, ortalama nemi , bitki örtüsünü , rüzgar hızını ve yönünü vb. İçerebilir.

• Biz programlamak içinde, bu matematiksel modelin bütün bilgisayar dilinde .

Bu sürecin sonunda, model alan gözlemlerine karşı test edilir ve bu da sonuçta önceki modeli iyileştirir.

Başvurular

Model seçimi, sorulan bilimsel soruya bağlıdır. Bu modeller, diğer şeylerin yanı sıra şunları sağlar:

• Geçtiğimiz iklimin çalışma ya Earth (evriminin ana döneminin paleoklimatoloji ) ya da son dönemde 20 inci  yüzyılda.
• Belirli iklim olaylarıyla ilişkili fiziksel mekanizmaların analizi ve anlaşılması (2000'li yıllarda atmosferik yüzey sıcaklıklarındaki artışın yavaşlaması gibi).
• Sözde 'iç' iklim değişkenliğinin analizi ve anlaşılması, yani Dünya sistemine içsel etkileşimlerle bağlantılı, örneğin okyanus ve atmosfer arasındaki ısı alışverişiyle bağlantılı.
• İklim değişikliğinin tespiti ve atfedilmesi, yani ortalama bir iklime bağlı olarak iklim dalgalanmalarının tespiti ve bir nedene atfedilmesi, yani buna neden olan fiziksel mekanizmanın anlaşılması.
• İklim tahminleri, yani tüm kaynaklardan iklim dalgalanmalarını tahmin etmek
• İklim projeksiyonları, yani iklimin belirli bir dış değişikliğe tepkisi. Tipik olarak, iklim projeksiyonları 21 st  atmosferde sera gazlarının konsantrasyonu değişikliğine ikliminin yanıta yüzyıl tekabül. Okyanus ve atmosfer arasındaki etkileşimlerle bağlantılı iç dalgalanmaları tahmin etmeyi amaçlamazlar. Bu iç dalgalanmalar, küresel sıcaklığın gelişiminde bir plato gözlemlendiğinde 2000'li yıllarda olduğu gibi, belirli dönemlerde belirli göstergelerdeki bu tepkiyi de maskeleyebilir.

Belirsizlikler ve değerleme

İklim modelleri kusurludur. Model hücreninkinden daha küçük bir ölçeğin fiziksel süreçlerini hesaba katan parametreleme, iklim modellerinde belirsizliğin ana kaynağıdır.

Izgaraların konfigürasyonu (fiziksel denklemlerin ayrık olduğu) ve parametre seçimi her modele özeldir. Bu, çıktı verilerinde bu kusurlardan kaynaklanan belirsizliğin tahminine izin veren farklılıklarla sonuçlanır. Bu belirsizlik iklim tahminlerinde dikkate alınır.

Tüm iklim modelleri gözlemlerle karşılaştırılarak değerlendirilir. Bu model-gözlem karşılaştırması, simülasyonlardaki ve aynı zamanda gözlemlerdeki (özellikle sınırlı örnekleme ile bağlantılı olan) belirsizlikleri de hesaba katar. Değerlendirme özellikle aşağıdakilerle ilgilidir:

• Ortalama iklim: atmosferik sirkülasyon, okyanus sirkülasyonu, ortalama sıcaklık, deniz buzu örtüsü vb. Dahil .
• Her bölgede mevsimsel döngüyü doğru şekilde yeniden üretme yeteneği
• Yıllar arası ila on yıllık değişkenliği simüle etme yeteneği ( El Niño olayları , minimum deniz buzu örtüsü, Kuzey Atlantik Salınımı gibi değişkenlik modlarındaki varyasyonlar)
• Gözlemlenen son eğilimleri simüle etme yeteneği (eriyen deniz buzu, küresel ısınma, yükselen deniz seviyeleri, vb.)

Teknik ilerleme ve model sayısı

İklim tahmini, atmosferin durumu (nem, bulutluluk , sıcaklık, vb.) Ve havanın gelişmesiyle ilgili büyük miktarda veri toplayan yapay uyduların ortaya çıkmasıyla güçlenen modellemedeki ilerlemelerle devrim yarattı . yerdeki istasyonları .

Bilgisayar hesaplama gücü de klimatolojide belirleyicidir . Katlanarak artarak, modele daha fazla parametre eklemeyi ve zemindeki ağı azaltmayı mümkün kıldı. Evrim bir aylık simülasyon süresi (20 yıl fazla 100 ile bölünmüş durumda 1980 için 2000 ). Kullanımı süper anda norm. G8-HORC tarafından finanse edilen araştırma programları , gelecekteki exaflopic süper bilgisayarlardan en iyi şekilde yararlanabilmek için şu anda modelleri güncellemeyi hedefliyor .

İklim modelleri, IPCC uzmanları tarafından küresel ısınmanın olası sonuçlarını hesaplamak için kullanılan temel araçlardan biridir .

İtibariyle 4 inci  raporu IPCC ( 2007 ), farklı laboratuarlar klimatolojisi kullandığı bağımsız modellerin sayısı dünyada 23 idi. Bu sayı beri hazırlamak için büyüdü 5 inci  raporunu ve için 6 inci  rapor (nedeniyle 2021 yılında).

Yeni bir eğilim, aynı veri girişleriyle yeni nesil (teorik olarak çok daha doğru) modellerin eski (daha basit) modellere göre daha yüksek sıcaklıkları tahmin etme eğiliminde olmasıdır.

Bu nedenle, havadaki CO2'nin endüstriyel öncesi seviyelere kıyasla iki katına çıkarılması için, ilk modeller 2100'de +1 ° C açıkladı, ancak ikinci nesil modeller 2020 ile 2070 arasında +1 ° C'ye ulaşılacağını öne sürdü. Üçüncü nesil simülasyonlar, ısınmanın 2100'de 3 ° C'ye ulaşabileceği sonucuna vararak, binlerce bilgisayarın birleşik kullanımıyla desteklenen bir hesaplama gücüne dayanıyordu. Sonra bir modelleme (climateprediction.net),Mart 2012(Nature. Geoscience'da) 2050'de +1.4 ° C ile +3.0 ° C'ye ulaşılabiliyordu. Bu üçüncü nesil modeller, yüzyılın sonunda +2 ° C ile +4.5 ° C'yi öngörüyordu (bir zamanlar iklim ve gezegen sistem dengelidir). Ancak 2019'da ABD, İngiltere, Kanada ve Fransa'daki büyük bilim merkezleri tarafından geliştirilen ve test edilen yeni nesil modellerin en az sekizi, 2100'de +5 ° C'ye (ve hatta daha yükseğe) ulaşılabileceği sonucuna varmıştır. Bu modellerden bazıları böyle bir ısınmanın olası olmadığına inanıyor. Bir hipotez, Dünya sisteminin simülasyon modelinde bir önyargı olduğu yönündedir (yine de her zamankinden daha kesin). İçindeNisan 2019, bu önyargı henüz tespit edilmedi.
Modern gözlemlerle ilişkili olarak eski iklime bağlı kısıtlamaların incelenmesi lehine, modellerin iklimsel hassasiyetleri Amerika Birleşik Devletleri'nin 6. iklim değerlendirmesinde daha az vurgulanabilir.

Notlar ve referanslar

1. (en) Gregory Flato, IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis ( read online ) , chap.  9 (“İklim modellerinin değerlendirilmesi”) , s746
2. (inç) Claussen M. , Mysak L. Weaver A. ve Crucifix M. , "  Ara karmaşıklığın yeryüzü sistemi modelleri: iklim sistemi modelleri spektrumundaki boşluğu kapatmak  " , Climate Dynamics , cilt.  18, n o  7,1 st Mart 2002, s.  579-586 ( ISSN  0930-7575 ve 1432-0894 , DOI  10.1007 / s00382-001-0200-1 , çevrimiçi okundu , erişim tarihi 14 Eylül 2018 )
3. (en) IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. ( çevrimiçi okuyun ) , böl.  9 (“İklim Modellerinin Değerlendirilmesi”) , s.  748
4. (in) Adam C Martiny TA Chau Pham , W. Francois Primeau Jasper A. Vrugt J. Keith Moore , Simon A. Levin , Michael W. Lomas , "  deniz plankton elemental oranlardaki güçlü enine desen ve organik madde  ” , Nature Geoscience ,17 Mart 2013( DOI  10.1038 / ngeo1757 )
5. (in) Gregory Flato, IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis ( read online ) , chap.  9 (“İklim Modellerinin Değerlendirilmesi”) , Kutu 9.1, s749
6. (in) "  İklim Değişikliği 2013 - Fiziksel Bilimin Temeli  " , Cambridge Core ,2009, s.  746 ( DOI  10.1017 / cbo9781107415324 , çevrimiçi okuma , 12 Eylül 2018'de erişildi )
7. “  9.1.2 İklim Değişikliği Algılama ve İlişkilendirme Nedir? - AR4 WGI Chapter 9: Understanding and Attributing Climate Change  ” , www.ipcc.ch adresinde ( 12 Eylül 2018'de erişildi )
8. (en) IPCC, 2013: İklim Değişikliği 2013: Fiziksel Bilim Temelleri: İklim modelleri ve son 15 yılın küresel ortalama yüzey alanı ısınmasındaki boşluk ( çevrimiçi okuyun ) , bölüm.  9 (“İklim modellerinin değerlendirilmesi”) , Kutu 9.2, p769
9. Aurore Voldoire ve Pascale Braconnot, Climate: Anlamak ve tahmin etmek için modelleme , s17  s. ( çevrimiçi okuyun )
10. Bob Yirka (2012) Yeni simülasyon, 2050 yılına kadar diğer modellerden daha yüksek ortalama Dünya sıcaklıklarını öngörmektedir  ; Phys.org
11. Voosen Paul (2019) Yeni iklim modelleri ısınma dalgalanmasını öngörüyor / Bilim Haberleri - Derinlemesine Küresel Isınma | Bilim |19 Nisan 2019:Uçuş. 364, Sayı 6437, s. 222-223 | DOI: 10.1126 / science.364.6437.222

Ayrıca görün

İlgili Makaleler

• Hava
• Dünya
• Genel dolaşım modeli
• Okyanus genel sirkülasyon modeli
• Akuple modeller arası karşılaştırma projesi
• İklim projeksiyonu
• Küresel ısınma
• Buzulların modellenmesi

Dış bağlantılar

• Colorado Eyalet Üniversitesi tarafından sunulan " oyuncak modelleri "
• İklim modelleme ", CEA tarafından yapılan popüler video .