Кліматичні моделі: яким чином вони будуються і застосовуються?
Кліматичні моделі - розвиток
Усеосяжні кліматичні моделі будуються по фізичних законах, представлених математичними рівняннями, що вирішуються з використанням тривимірної сітки над глобусом. Для імітації клімату основні компоненти кліматичної системи повинні бути представлені в під моделях (атмосфера, океан, земна поверхня, кріосфера і біосфера) поряд із процесами, що відбуваються усередині і між ними. Більшість результатів у цій доповіді отримано з результатів моделей, що включають визначене представлення всіх цих компонентів. Моделі глобального клімату, у яких компоненти атмосфери й океану з'єднані разом, відомі як моделі загальної циркуляції системи атмосфера-океан (МОЦАО). В атмосферному модулі, наприклад, вирішуються рівняння, за допомогою яких описується великомасштабна еволюція кількості руху, тепла і вологості. Аналогічні рівняння вирішуються для океану. В даний час здатність, що дозволяє, атмосферній частині типової моделі складає близько 250 км по горизонталі і близько 1 км по вертикалі над прикордонним шаром. Здатність типової моделі океану складає близько 200—400 м по вертикалі з горизонтальною здатністю порядку 125—250 км. Рівняння вирішуються для кожного півгодинного інтервалу модельної інтеграції. Багато фізичних процесів, такі, як процеси, зв'язані з хмарами або конвекцією океану, відбуваються в набагато менших просторових масштабах у порівнянні з модельною сіткою, і в цьому зв'язку їх неможливо моделювати і вирішувати чітко. Їхні усереднені наслідки включаються на приблизній основі просто за рахунок використання фізичних зв'язків з більш великомасштабними змінними. Подібний метод відомий як параметризація. Для підготовки кількісних перспективних оцінок зміни майбутнього клімату необхідно використовувати кліматичні моделі, що імітують усі важливі процеси, що керують майбутньою еволюцією клімату. Кліматичні моделі стали більш кращими за останні десятиліття завдяки підвищенню потужності комп'ютерів. Протягом цього часу були окремо розроблені, а потім поступово інтегровані, моделі основних компонентів, атмосфери, суші, океану і морського льоду. Подібне з'єднання різноманітних компонентів є важким процесом.
Зовсім недавно були інкорпоровані компоненти циклу сірки для представлення викидів сірки і того, яким чином вони окисляються з наступним формуванням аерозольних часток. В даний час у декількох моделях проводиться сполучення наземного циклу вуглецю й океанського циклу вуглецю. Компонент хімії атмосфери моделюється в даний час за межами основної моделі клімату. Кінцева мета полягає, зрозуміло, у моделюванні в максимально можливому ступені всієї кліматичної системи Землі, для того щоб усі компоненти могли взаємодіяти, і завдяки цьому прогнози зміни клімату будуть постійно враховувати наслідок зворотних зв'язків між компонентами. На малюнку 1 показана минула, дійсна і можливо, майбутня еволюція кліматичних моделей. Деякі моделі нейтралізують помилки і розбіжності поверхневого потоку за допомогою «коректувань потоку», що являють собою емпірично обумовлені систематичні коректування в системі взаємодії атмосфера-океан з фіксуванням у часі, для того щоб привести імітуючий клімат ближче до стану, що спостерігається. Розроблено стратегію для проведення кліматичних експериментів, завдяки якій ліквідуються багато впливів деяких модельних помилок на результати. Часто разом з моделлю робиться прогин першої «контрольної» імітації клімату. Після цього робиться прогін експериментальної імітації зміни клімату, наприклад з підвищеним змістом З2 у модельній атмосфері. І нарешті, береться різниця для одержання оцінки зміни в кліматі, викликаного пертурбацією. За допомогою методу одержання різниці знімається більшість наслідків будь-яких штучних коректувань у моделі, а також систематичні помилки, що звичайно виникають при обох прогонах. У той же час, завдяки порівнянню результатів різних моделей, стає очевидно, що природа деяких помилок усе ще впливає на кінцевий результат. Багато аспектів кліматичної системи Землі є хаотичними — її еволюція відчутно реагує на найменші пертурбації у вихідних умовах. Подібна чутливість обмежує передбачуваність еволюції погоди приблизно двотижневим терміном. У той же час, передбачуваність клімату не є настільки обмеженою внаслідок систематичного впливу на атмосферу більш повільно мінливих компонентів кліматичної системи. Проте, для підготовки надійних прогнозів при наявності як вихідної умови, так і модельної невизначеності, бажано багаторазово повторити пророкування, виходячи з різних первісних станів збурювання, а також використовуючи різні глобальні моделі. Ці ансамблі є основою імовірності прогнозів стану клімату. Усеосяжні МОЦАО є досить складними і для їхнього прогону потрібні значні комп'ютерні потужності. Для дослідження різних сценаріїв викидів парникових газів і наслідків допущень або апроксимацій у параметрах у моделі більш ретельним чином також широко використовуються більш прості моделі. Варіанти спрощення можуть включати більш масштабну здатність, а також спрощені динамічні фізичні процеси. У своїй сукупності прості, проміжні і всеосяжні моделі утворять «ієрархію кліматичних моделей», усі з яких є необхідними для вивчення виборів, зроблених у параметризаціях, і оцінки чіткості кліматичних змін.

Інформаційні потреби. Незважаючи на досягнутий прогрес зберігаються значні пропуски в знаннях, що стосуються впливу зовнішнього середовища, чутливості, адаптованості й уразливості фізичних, екологічних і соціальних систем, зв'язаних з зміною клімату. Просування вперед у цих областях являється першочерговою задачею для підвищення рівня розуміння потенційних наслідків зміни клімату для людського суспільства і світу природи, так само як і надання сприяння у проведенні аналізів можливих мір реагування.

Схильність впливові. Потрібні більш досконаліші методи прогнозування схильності дії клімату й інших не кліматичних факторів стресу при менших просторових масштабах, для того щоб підвищити рівень розуміння потенційних наслідків змін клімату, включаючи регіональні розходження і впливи, до яких необхідно буде, імовірно, адаптувати системи. Робота в цій області повинна бути заснована на результатах досліджень чутливості, адаптованості й уразливості систем для визначення тих видів кліматичних впливів і не кліматичних факторів стресу, що у найбільшій мірі торкаються цих систем. Подібні дослідження особливо необхідні в країнах, що розвиваються, у багатьох з яких відсутні історичні дані, належні системі моніторингу, а також можливості для проведення досліджень і розвитку. Розвиток місцевого потенціалу в області оцінки і керування екологічними факторами підвищать ефективність капіталовкладень. Пріоритетне значення мають методи дослідження можливих змін у частоті й інтенсивності екстремальних кліматичних подій, мінливості клімату і великомасштабних різких змін в системах планети Земля, таких, як уповільнення або зупинка термогалинної циркуляції океанів. Необхідне також проведення роботи з метою кращого розуміння того, яким чином соціально-економічні фактори впливають на підтвердження впливів різних типів населення.

Чутливість. Чутливість до кліматичних дій дотепер недостатньо визначена в кількісному відношенні для багатьох природних і антропогенних систем. Реагування систем на зміну клімату буде включати, як очікується, значні не лінійності, непостійну або різку реакцію різної тривалості і комплексні взаємодії з іншими системами. У той же час для багатьох систем відсутнє чітке кількісне визначення кривизни, граничних значень і взаємодій системного реагування. Потрібне проведення роботи для розробки й удосконалення заснованих на критеріях процесу динамічних моделей природних, соціальних і економічних систем; оцінки модельних параметрів реагування систем на зміни кліматичних величин; і перевірки вірогідності результатів модельної імітації. Ця робота повинна включати використання даних спостережень, даних більш стародавніх спостережень у тих випадках, коли вони застосовні, а також довготермінового моніторингу систем і тих факторів, що впливають на них. Постійні зусилля з метою виявлення наслідків зміни клімату є пріоритетною необхідністю для подальшого дослідження, що може забезпечити емпіричну інформацію для розуміння чутливості систем до зміни клімату.