Modelo climático avanzado

Los modelos climáticos usan métodos de investigación cuantitativa para simular las interacciones de la atmósfera terrestre, los océanos, el relieve terrestre, y el hielo. Se utilizan para el estudio de la dinámica del sistema meteorológico y climático para las proyecciones del clima futuro.

Todos los modelos climáticos tienen en cuenta la energía entrante como las radiaciones electromagnéticas de onda corta (que en este contexto significa visible y ultravioleta) a la tierra, así como la energía saliente de onda larga (infrarrojo) proveniente de la radiación electromagnética de la tierra.

Los modelos más conocidos de los últimos años han sido los relativos a la temperatura de las emisiones de dióxido de carbono (véase el gas de efecto invernadero). Estos modelos proyectan una tendencia al alza en el record de temperatura en la superficie, así como un rápido aumento de la temperatura en zonas altas.

Los modelos pueden variar desde relativamente simples a muy complejos:

• Un simple modelo de radiación térmica que trata a la tierra como un único punto y promedios de salida de energía
• esto puede ampliarse verticalmente (modelos radiativos-convectivos), u horizontalmente
• por último, los modelos climáticos globales (conjuntos) de atmósfera-océano-hielo marino discretizan y resuelven la totalidad de las ecuaciones de transferencia de masa, la energía radiante y el intercambio.

Esta no es una lista completa, por ejemplo, "modelos de caja" se puede escribir para tratar los flujos a través y dentro de las cuencas oceánicas.

Modelo adimensional

Un simple modelo de equilibrio radiativo de la Tierra es:

• (1 − a)Sπr2 = 4πr2εσT4

Donde:

• la parte izquierda representa la energía entrante desde el Sol
• la parte derecha representa la energía saliente desde la Tierra, calculada con la ley de Stefan-Boltzmann, asumiendo una temperatura de radiación constante, T, que se desea calcular.
• S es la constante solar (radiación entrante solar por unidad de área, 1367 Wm-2)
• a es el albedo medio de la Tierra (normalmente 0,3)
• r es el radio de la Tierra (aproximadamente 6371x106m)
• π es el número Pi
• σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5.67×10-8 J•K-4•m-2•s-1)
• ε es la eficiencia de emisividad de la tierra (alrededor de 0.612)

Simplificando obtenemos:

• (1 − a)S = 4εσT4

Esto produce una media de temperatura de la tierra de 288 K (15 °C; 59 °F). Esto se debe a que la ecuación anterior representa la temperatura efectiva de radiación de la Tierra (incluyendo las nubes y la atmósfera). El uso de la eficiencia de emisión se debe al efecto invernadero.

Este modelo simple es muy instructivo, y el único modelo que podría caber en una página. Por ejemplo, determina fácilmente el efecto de la temperatura media de la Tierra sobre los cambios en la constante solar o el cambio de albedo de la Tierra o de la eficiencia de emisión. Utilizando esta simple fórmula, el cambio porcentual de la cantidad media de cada parámetro, considerados independientes, para provocar un cambio de un grado Celsius en la temperatura media de la Tierra en estado de equilibrio es de la siguiente manera:

• Constante solar 1,4%
• Albedo 3,3%
• Eficiencia de emisión 1,4%

El promedio de la emisividad de la tierra es fácil estimar a partir de los datos disponibles. Las emisiones de la superficie terrestre se encuentran en el rango de 0,96 a 0,99 (con excepción de algunas pequeñas zonas del desierto que pueden ser tan bajas como 0.7). Las nubes, sin embargo, que cubren aproximadamente la mitad de la superficie de la tierra, tienen un promedio de emisiones de aproximadamente 0,5 (que debe ser reducido por la cuarta potencia de la relación de la temperatura absoluta a la nube con la temperatura media absoluta de la) y una temperatura media de las nubes de alrededor de 258 K (-15° C, 5° F). Teniendo en cuenta todo esto adecuadamente resulta una eficiencia de emisión terrestre alrededor de 0,64 (temperatura media terrestre de 285 K (12° C, 53° F)).

Este simple modelo determina fácilmente el efecto de los cambios en la energía solar de salida o cambios en el albedo de la tierra o la eficiencia de emisión de la temperatura de la Tierra. Los modelos adimensionales no tratan la distribución de temperatura en la tierra o los factores que mueven la energía sobre la tierra.

Modelos radiativos-convectivos

El modelo adimensional anterior, utilizando la constante solar y de temperatura media dada de la tierra, determina la eficiencia de emisión de onda larga al espacio de la tierra. Esto puede ser refinado en vertical a un modelo radiativos-convectivos adimensional, que considera dos procesos de transporte de energía:

• Transferencia radiativa subiendo y bajando a través de las capas de la atmósfera, absorbiendo y emitiendo radiación infrarroja en ambos casos.

• Transporte subida de calor por convección (especialmente importante en la parte baja de la troposfera).

Los modelos de radiación-convección tienen ventajas con respecto al modelo simple: pueden determinar los efectos de las variaciones en la concentración de gases de efecto invernadero sobre la eficacia de la emisión y por tanto la temperatura de la superficie. Pero los parámetros añadidos son necesarios para determinar la emisividad, el albedo y localizar los factores que mueven la energía sobre la tierra.^{[1] [2]}

Modelos de mayor dimensión

El modelo adimensional puede ser ampliado para considerar la energía transportada horizontalmente en la atmósfera. Este tipo de modelos pueden ser promediados localmente. Este modelo tiene la ventaja de permitir una relación de dependencia entre el albedo y la emisividad sobre la temperatura (los polos pueden ser fríos y el ecuador caliente) pero la falta de una verdadera dinámica horizontal supone que el transporte tiene que ser especificado.^[3]

Modelos de sistema terráqueo de complejidad intermedia

Dependiendo de la naturaleza de las cuestiones preguntadas y las escalas de tiempo pertinentes, hay, por un lado modelos conceptuales (inductivos) y por el otro lado modelos de circulación generales (que funcionen a la máxima resolución espacial y temporal). Los modelos de complejidad intermedia reducen el salto entre ambos. Un ejemplo es el modelo Climber-3. Este modelo atmosférico es un modelo de 2,5 dimensiones estático-dinámico con 7,5º por 22,5º de resolución y un periodo de medio día; el océano es modelado con MOM3 con una malla de 3,75º por 3,75º con 24 niveles verticales.^[4]

Modelos de Clima Global

Los MCGs en tres dimensiones (más bien en cuatro dimensiones) discretizan las ecuaciones para movimiento de fluidos y las integran en el tiempo. También contienen parametrizaciones de procesos - tales como convección - que se producen en escalas demasiado pequeñas para ser resueltas directamente.

El MCG atmosférico (MCGA) modela la atmósfera e impone la temperatura de la superficie del mar. Los modelos conjuntos atmosférico-oceánico (MCGAO, por ejemplo HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) combinan los dos tipos de modelos. El primer modelo de circulación general que combina los procesos atmosféricos y oceánicos fue desarrollado a finales de los 60 en el Laboratorio De Fluidos Geofísicos de Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. Los MCGAOs representan el pináculo de la complejidad en los modelos climáticos y los procesos de internacionalización de tantos como sea posible. Son las únicas herramientas que podrían proporcionar las predicciones regionales del cambio climático futuro. Sin embargo, están todavía en desarrollo. Los modelos más sencillos son generalmente susceptibles a simples análisis y sus resultados son generalmente fáciles de entender. Los MCGAOs, por el contrario, suelen ser casi tan difícil de analizar como el verdadero sistema climático.

Las simulaciones más recientes muestran la “verosimilitud” de las mediciones de las anomalías de la temperatura durante los últimos 150 años, observando los cambios en los gases de efecto invernadero y los aerosoles, pero se logran mejores resultados cuando los efectos naturales también se incluyen

Modeladores climáticos

Un modelador climático es una persona que diseña, desarrolla, implementa, prueba o explota modelos climáticos. Existen tres grandes tipos de instituciones en las que se puede encontrar un modelador climático:

• En el servicio meteorológico local: la mayoría de los servicios meteorológicos nacionales tienen por lo menos una sección de la climatología.
• En la universidad local, si existe un departamento que se ocupa de alguna de las siguientes áreas: ciencias de la atmósfera, la meteorología, la climatología, o la geografía, entre otros.
• En laboratorios nacionales o internacional en los de investigación especializados en este ámbito, tales como el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR en Boulder, Colorado, EEUU), Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL, en Princeton, Nueva Jersey, EE.UU.), el Centro Hadley para la Predicción del Clima y la Investigación (en Exeter, Reino Unido), o el Instituto Max Planck de Meteorología en Hamburgo, Alemania, por citar sólo algunos. El Programa Mundial de Investigaciones Climáticas (PMIC), ayudada por la Organización Meteorológica Mundial (OMM), coordina las actividades de investigación sobre la modelización del clima en todo el mundo.

Véase también

• Atmospheric Radiation Measurement (ARM) (in the US)
• Climateprediction.net
• GFDL CM2.X
• Tropical cyclone prediction model

Modelos climáticos en la web

• Dapper/DChart - plot and download model data referenced by the Fourth Assessment Report (AR4) of the Intergovernmental Panel on Climate Change.
• - Hadley Centre for Climate Prediction and Research - general info on their models
• - NCAR/UCAR Community Climate System Model (CCSM)
• - do it yourself climate prediction
• - a NASA/GISS global climate model (GCM) with a user-friendly interface for PCs and Macs
• - CCCma model info and interface to retrieve model data
• - NOAA / Geophysical Fluid Dynamics Laboratory CM2 global climate model info and model output data files
• - University of Victoria Global climate model, free for download. Leading researcher was a contributing author to the recent IPCC report on climate change.

Referencias

• (IPCC 2001 section 8.3) - on model hierarchy
• (IPCC 2001 section 8) - much information on coupled GCM's
• Coupled Model Intercomparison Project
• On the Radiative and Dynamical Feedbacks over the Equatorial Pacific Cold Tongue
• Basic Radiation Calculations - The Discovery of Global Warming
• Robinson, Peter J. and Henderson-Sellers, Ann, Contemporary Climatology, Pearson Education, 1999