:This-Artikel ist über die Theorien und Mathematik des Klimamodellierens. Für die computergesteuerte Vorhersage des Klimas der Erde, sieh Globales Klimamodell.

Klimamodelle verwenden quantitative Methoden, die Wechselwirkungen der Atmosphäre, der Ozeane, der Landoberfläche und des Eises vorzutäuschen. Sie werden für eine Vielfalt von Zwecken von der Studie der Dynamik des Klimasystems zu Vorsprüngen des zukünftigen Klimas verwendet. Das am meisten geredete - über den Gebrauch von Klimamodellen hat in den letzten Jahren Temperaturänderungen planen sollen, die sich aus Zunahmen in atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen ergeben.

Alle Klimamodelle ziehen die eingehende Energie von der Sonne als Kurzwelle elektromagnetische Radiation, hauptsächlich sichtbar und kurzwellig (fast) infrarote sowie aus dem Amt scheiden Energie als Langwelle (weit) infrarote elektromagnetische Radiation von der Erde in Betracht. Jede Unausgewogenheit läuft auf eine Änderung in der Temperatur hinaus.

Modelle können sich vom relativ einfachen bis ziemlich komplizierten erstrecken:

• Ein einfaches leuchtendes Wärmeübertragungsmodell, das die Erde als ein einzelner Punkt und Durchschnitte aus dem Amt scheiden Energie behandelt
• das kann vertikal (Strahlungs-Convective-Modelle), oder horizontal ausgebreitet werden
• schließlich, (verbundenes) Atmosphäre-Ozeanmeer kühlen globale Klimamodelle discretise mit Eis und lösen die vollen Gleichungen für die Masse und die Energieübertragung und den leuchtenden Austausch.

Das ist nicht eine volle Liste; zum Beispiel "können Kasten-Modelle" geschrieben werden, um Flüsse über und innerhalb von Ozeanwaschschüsseln zu behandeln. Außerdem können andere Typen des Modellierens wie Landgebrauch verkettet werden, Forschern erlaubend, die Wechselwirkung zwischen Klima und Ökosystemen vorauszusagen.

Kasten-Modelle

Kasten-Modelle sind vereinfachte Versionen von komplizierten Systemen, sie auf Kästen (oder Reservoire) verbunden durch Flüsse reduzierend. Wie man annimmt, werden die Kästen homogen gemischt. Innerhalb eines gegebenen Kastens ist die Konzentration irgendwelcher chemischen Arten deshalb gleichförmig. Jedoch kann sich der Überfluss an einer Art innerhalb eines gegebenen Kastens als eine Funktion der Zeit wegen des Eingangs zu (oder Verlust von) der Kasten oder wegen der Produktion, des Verbrauchs oder des Zerfalls dieser Art innerhalb des Kastens ändern.

Einfache Kasten-Modelle, d. h. Kasten-Modell mit einer kleinen Anzahl von Kästen, deren sich Eigenschaften (z.B ihr Volumen) mit der Zeit nicht ändern, sind häufig nützlich, um analytische Formeln abzuleiten, die die Dynamik und den Steady-Stateüberfluss an einer Art beschreiben. Kompliziertere Kasten-Modelle werden gewöhnlich mit numerischen Techniken gelöst.

Kasten-Modelle werden umfassend verwendet, um Umweltsysteme oder Ökosysteme und in Studien des Ozeanumlaufs und des Kohlenstoff-Zyklus zu modellieren.

Nulldimensionale Modelle

Ein sehr einfaches Modell des Strahlungsgleichgewichts der Erde ist

:wo

• die linke Seite vertritt die eingehende Energie von der Sonne
• die rechte Seite vertritt die aus dem Amt schiede Energie von der Erde, die aus dem Gesetz von Stefan-Boltzmann das Annehmen einer musterausgedachten Temperatur, T manchmal berechnet ist, genannt die 'Gleichgewicht-Temperatur der Erde', die, gefunden werden

sollund

• S ist die Sonnenkonstante - die eingehende Sonnenstrahlung pro Einheitsgebiet — ungefähr 1367 W · M

• ist der durchschnittliche Rückstrahlvermögen der Erde, gemessen, um 0.3 zu sein.
• r ist der Radius der Erde — ungefähr

6.371×10m

• π ist die mathematische Konstante (3.141...)

• ist der Stefan-Boltzmann unveränderlich — ungefähr 5.67×10 J · K · M · s

• ist das wirksame Emissionsvermögen der Erde, ungefähr 0.612

Der unveränderliche πr kann ausgeklammert werden, gebend

:

Für die Temperatur, lösend

:

Das gibt eine offenbare wirksame durchschnittliche Erdtemperatur dessen nach. Das ist, weil die obengenannte Gleichung die wirksame Strahlungstemperatur der Erde (einschließlich der Wolken und Atmosphäre) vertritt. Der Gebrauch des wirksamen Emissionsvermögens und Rückstrahlvermögens ist für den Treibhauseffekt verantwortlich.

Dieses sehr einfache Modell, ist und das einzige Modell ziemlich aufschlussreich, das auf einer Seite passen konnte. Zum Beispiel bestimmt es leicht die Wirkung auf die durchschnittliche Erdtemperatur von Änderungen in der Sonnenkonstante oder Änderung des Rückstrahlvermögens oder wirksamen Erdemissionsvermögens.

Das durchschnittliche Emissionsvermögen der Erde wird von verfügbaren Daten sogleich geschätzt. Das Emissionsvermögen von Landoberflächen ist alle im Rahmen 0.96 zu 0.99 (abgesehen von einigen kleinen Wüste-Gebieten, die mindestens 0.7 sein können). Wolken, jedoch, die ungefähr Hälfte der Oberfläche der Erde bedecken, haben ein durchschnittliches Emissionsvermögen von ungefähr 0.5 (der durch die vierte Macht des Verhältnisses der absoluten Wolkentemperatur zur durchschnittlichen absoluten Erdtemperatur reduziert werden muss), und eine durchschnittliche Wolkentemperatur ungefähr. Die Einnahme von all dem richtig in die Rechnung läuft auf ein wirksames Erdemissionsvermögen von ungefähr 0.64 (durchschnittliche Erdtemperatur) hinaus.

Dieses einfache Modell bestimmt sogleich die Wirkung von Änderungen in der Sonnenproduktion oder Änderung des Erdrückstrahlvermögens oder wirksamen Erdemissionsvermögens auf der durchschnittlichen Erdtemperatur. Es sagt nichts, jedoch darüber, was diese Dinge verursachen könnte sich zu ändern. Nulldimensionale Modelle richten den Temperaturvertrieb auf der Erde oder den Faktoren nicht, die Energie über die Erde bewegen.

Strahlungs-Convective-Modelle

Das nulldimensionale Modell oben, mit der durchschnittlichen gegebenen und unveränderlichen Sonnenerdtemperatur, bestimmt das wirksame Erdemissionsvermögen der zum Raum ausgestrahlten Langwellenradiation. Das kann im vertikalen zu einem eindimensionalen Strahlungs-Convective-Modell raffiniert werden, das zwei Prozesse des Energietransports denkt:

• upwelling und downwelling Strahlungsübertragung durch atmosphärische Schichten, die sowohl absorbieren als auch Infrarotradiation ausstrahlen
• nach oben gerichteter Transport der Hitze durch die Konvektion (besonders wichtig in der niedrigeren Troposphäre).

Die Strahlungs-Convective-Modelle sind im Vorteil gegenüber dem einfachen Modell: Sie können die Effekten von unterschiedlichen Treibhausgas-Konzentrationen auf dem wirksamen Emissionsvermögen und deshalb der Oberflächentemperatur bestimmen. Aber hinzugefügte Rahmen sind erforderlich, um lokales Emissionsvermögen und Rückstrahlvermögen zu bestimmen und die Faktoren zu richten, die Energie über die Erde bewegen.

Wirkung des Eisrückstrahlvermögen-Feed-Backs auf der globalen Empfindlichkeit in einem eindimensionalen Strahlungs-Convective-Klimamodell.

Modelle der höheren Dimension

Das nulldimensionale Modell kann ausgebreitet werden, um die Energie als transportiert horizontal in der Atmosphäre zu betrachten. Diese Art des Modells kann gut zonenartig durchschnittlich sein. Dieses Modell ist im Vorteil, eine vernünftige Abhängigkeit des lokalen Rückstrahlvermögens und Emissionsvermögens auf der Temperatur zu erlauben - den Polen kann erlaubt werden, eisig zu sein, und der Äquator warm - aber der Mangel an der wahren Dynamik bedeutet, dass horizontale Transporte angegeben werden müssen.

EMICs (Erdsystem-Modelle der Zwischenkompliziertheit)

Je nachdem die Natur von Fragen gefragt hat und die sachdienlichen zeitlichen Rahmen, gibt es, auf einem Extrem, begrifflich, mehr induktive Modelle, und auf den anderen äußersten, allgemeinen Umlauf-Modellen, die an der höchsten räumlichen und zeitlichen zurzeit ausführbaren Entschlossenheit funktionieren. Modelle der Zwischenkompliziertheit überbrücken die Lücke. Ein Beispiel ist der Bergsteiger 3 Modell. Seine Atmosphäre ist ein 2.5-dimensionales statistisch-dynamisches Modell mit 7.5 ° × 22.5 ° Entschlossenheit und Zeitsprung eines halben Tages; der Ozean ist MAMA 3 (Modulozeanmodell) mit 3.75 ° × 3.75 ° Bratrost und 24 vertikale Niveaus.

GCMs (globale Klimamodelle oder allgemeine Umlauf-Modelle)

Drei (oder richtiger vier da wird Zeit auch betrachtet), der discretise des dimensionalen GCM übertragen die Gleichungen für die flüssige Bewegung und Energie und integrieren diese mit der Zeit. Sie enthalten auch parametrisations für Prozesse — wie Konvektion — die auf Skalen vorkommen, die zu klein sind, um direkt aufgelöst zu werden.

Atmosphärische GCMs (AGCMs) modellieren die Atmosphäre und erlegen Seeoberflächentemperaturen als Grenzbedingungen auf. Verbundener mit der Atmosphäreozean-GCMs (AOGCMs, z.B. HadCM3, EdGCM, GFDL CM2. X, ARPEGE-Climat) verbinden die zwei Modelle. Das erste allgemeine Umlauf-Klimamodell, das sowohl ozeanische als auch atmosphärische Prozesse verbunden hat, wurde gegen Ende der 1960er Jahre am NOAA Geophysikalischen Flüssigen Dynamik-Laboratorium entwickelt AOGCMs vertreten den Gipfel der Kompliziertheit in Klimamodellen und verinnerlichen so viele Prozesse wie möglich. Jedoch sind sie noch unter der Entwicklung, und Unklarheiten bleiben. Sie können mit Modellen anderer Prozesse, wie der Kohlenstoff-Zyklus, um zu besseren Musterfeed-Back-Effekten verbunden werden.

Neuste Simulationen zeigen "plausible" Abmachung mit den gemessenen Temperaturanomalien im Laufe der letzten 150 Jahre, wenn gezwungen, durch den natürlichen forcings allein, aber bessere Abmachung wird erreicht, wenn beobachtete Änderungen in Treibhausgasen und Aerosolen auch eingeschlossen werden.

Forschung und Entwicklung

Es gibt drei Haupttypen der Einrichtung, wo Klimamodelle entwickelt, durchgeführt und verwendet werden:

• Nationale meteorologische Dienstleistungen. Die meisten nationalen Wetterdienstleistungen haben eine Klimatologie-Abteilung.
• Universitäten. Relevante Abteilungen schließen atmosphärische Wissenschaften, Meteorologie, Klimatologie und Erdkunde ein.
• Nationale und internationale Forschungslabors. Beispiele schließen das Nationale Zentrum für die Atmosphärische Forschung (NCAR, im Felsblock, Colorado, den USA), das Geophysikalische Flüssige Dynamik-Laboratorium (GFDL, in Princeton, New Jersey, die USA), das Zentrum von Hadley für die Klimavorhersage und Forschung (in Exeter, das Vereinigte Königreich), das Institut von Max Planck für die Meteorologie in Hamburg, Deutschland, oder dem Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), Frankreich ein, um nur einige zu nennen.

World Climate Research Programme (WCRP), das von World Meteorological Organization (WMO) veranstaltet ist, koordiniert Forschungstätigkeiten auf dem Klima, das weltweit modelliert.

Siehe auch

• Atmospheric Radiation Measurement (ARM) (in den Vereinigten Staaten)
• Climateprediction.net
• GFDL CM2. X
• Tropisches Zyklon-Vorhersagemodell

Klimamodelle im Web

• Dapper/DChart — in Anschlag und Download-Musterdaten durch den Vierten Bewertungsbericht (AR4) der Internationalen Tafel auf der Klimaveränderung Verweise angebracht.
• ccsm.ucar.edu — NCAR/UCAR Community Climate System Model (CCSM)
• climateprediction.net — tun es selbst Klimavorhersage
• giss.nasa.gov — die primäre Forschung GCM, der durch NASA/GISS (Institut von Goddard für Raumstudien) entwickelt ist
• edgcm.columbia.edu — das ursprüngliche NASA/GISS globale Klimamodell (GCM) mit einer benutzerfreundlichen Schnittstelle für PCs und Macs
• cccma.be.ec.gc.ca — CCCma Musterinfo und Schnittstelle, um Musterdaten wiederzubekommen
• nomads.gfdl.noaa.gov — NOAA / Geophysikalisches Flüssiges Dynamik-Laboratorium CM2 globales Klimamusterinfo und Musterproduktionsdatendateien
• climate.uvic.ca — Universität des Viktorias Globales Klimamodell, das für das Download frei ist. Hauptforscher war ein beitragender Autor zum neuen IPCC-Bericht über die Klimaveränderung.

Links

• (IPCC 2001-Abschnitt 8.3) — auf der Musterhierarchie
• (IPCC 2001-Abteilung 8) — viel Information über den des verbundenen GCM
• Verbundenes Musterzwischenvergleich-Projekt
• Auf den dynamischen und Strahlungsfeed-Backs über die äquatoriale pazifische kalte Zunge
• Grundlegende Strahlenberechnungen — die Entdeckung der Erderwärmung