问答:气候模型如何工作?

在为期一周的系列的第一篇文章关注气候模拟,碳短暂详细解释了科学家们如何使用电脑来了解我们的气候变化…必威手机官网

使用计算机模型运行穿过气候科学的核心。biwei6868

帮助科学家解开周期的冰河时代数十万年前使本世纪或未来,预测模型对理解地球气候的必不可少的工具。

但气候模型是什么?它看起来像什么?它做什么?这些都是问题,任何外部气候科学的世界也许会提出合理的疑问。biwei6868

必威手机官网碳简短说一系列的气候科学家为了回答这些问题等等。下面是深入问答气候模型和科学家们如何使用它们。您可以使用下面的链接导航到一个特定的问题。

气候模型是什么?

全球气候模型通常包含足够的计算机代码来填充18000页的打印文本;它将采取了数以百计的科学家多年来构建和完善;它可能需要一台超级计算机运行一个网球场的大小。

模型本身有不同的形式,从那些只是世界的一个特定区域或气候系统的一部分,那些模拟大气,海洋,冰和整个地球的土地。

这些模型的输出驱动气候科学,帮助科学家们了解人类活动如何影响地球的气候。biwei6868这些进步支撑气候政策的决策在国家和国际尺度了过去五年。

在许多方面,天气预报的气候模型只是一个延伸,但是专注于改变几十年,而不是几个小时。事实上,英国气象局哈德利中心使用相同的”统一的模型“这两个任务的基础。

所需的庞大的计算能力模拟天气和气候意味着今天的模型运行使用大规模的超级计算机。

英国气象局哈德利中心的三个新克雷XC40超级计算机例如,在一起1.4亿亿计算的能力。下面的间隔拍摄的视频显示了这些超级计算机的第三个在2017年被安装。

基本物理原理

那么,到底进了气候模型?在最基本的层面上,气候模型使用方程来表示流程和交互驱动地球气候的。这些覆盖了大气、海洋、陆地和冰雪覆盖区域的行星。

模型是基于同一法律、支撑科学家的方程的理解物理、化学和生物机制在地球系统。

例如,科学家希望气候模型遵守基本的物理原理,如热力学第一定律(也称为能量守恒定律),即在一个封闭的系统中,能量不能被丢失或创建,只能从一种形式到必威体育在线注册另一个地方。

另一个是斯蒂芬玻尔兹曼定律,科学家们已经证明了自然温室效应使地球表面约33 c比它没有一个暖和。

还有的动力学方程描述气候系统发生了什么,等克劳修斯——克拉珀龙方程方程,它表示空气的温度之间的关系及其最大水蒸气压力。

这些是最重要的n - s方程捕获的流体运动速度、压力、温度和密度的气体在大气和海洋的水。

然而,这组偏微分方程这么复杂,有吗没有任何已知的精确解(除了一些简单的情况下)。它仍然是一个伟大的数学(还有一个挑战一百万美元的奖金等待谁能证明解决方案总是存在)。相反,这些方程是解决“数值”模型,这意味着它们是近似的。

科学家将这些物理原则转化为方程组成线后的计算机代码——通常运行超过一百万行全球气候模型。

全球气候模型的代码通常用编程语言编写的Fortran。由IBM在1950年代,Fortran是第一个“高级”的编程语言。这意味着,而不是用机器语言编写,编写代码通常一连串的数字,很像人类语言。

你可以看到这个在下面的例子中,显示了一小部分代码从一个英国气象局哈德利中心的模型。代码包含命令,如“如果”,“那么”和“做”。当模型运行时,它首先是翻译成机器代码(自动)计算机可以理解的。

现在有许多其他编程语言可用于气候科学家,如C,Python,R,Matlab和IDL。然而,过去四这些都是自己用一个更根本的语言编写的应用程序(如Fortran),因此,相对较慢,运行。今天Fortran和C通常用于全球超级计算机模型快速运行。

空间分辨率

整个代码在一个气候控制底层物理模型方程的气候系统,从形式和海冰融化在北极水域之间的气体交换和水分地表上空的空气。

下图显示了越来越多的气候过程已经纳入全球模型在过去的几十年里,从1970年代中期到第四次评估报告(AR4)的政府间气候变化小组(IPCC)在2007年出版。

所以,如何模型计算所有这些方程呢?

由于气候系统的复杂性和计算能力的限制,模型不可能计算所有这些过程每立方米的气候系统。相反,地球气候模型分割成一系列的盒子或“网格细胞”。全局模型可以有几十层在大气和海洋的高度和深度。

下图显示了一个3 d的表示这是什么样子的。模型,然后计算每个单元中的气候系统的状态,考虑到温度、气压、湿度和风速。

进程发生在小于网格单元的尺度,如对流、模型使用“参数化”来填补这些漏洞。这些本质上是近似简化每个流程,允许他们被包括在模型中。(参数化的问题下面的模型调优)。

网格的大小细胞模式被称为“空间分辨率”。通常较为粗糙的全球气候模型网格细胞周围100公里的中纬度地区的经度和纬度。因为地球是一个球体,细胞基于经度和纬度更大的网格在赤道和较小的两极。然而,科学家越来越普遍使用替代,如网格技术cubed-sphere和二十面体——没有这个问题。

高分辨率的模型将会有更多的小盒子。分辨率越高,越具体气候信息模型可以产生一个特定的地区,但这是有代价的长时间运行,因为有更多的计算模型。

下图显示了模型的空间分辨率提高之间的第一和第四IPCC评估报告。你可以看到详细的地形地表出现的分辨率提高。

一般来说,增加一个模型的空间分辨率两个需要的一个因素计算能力的大约10倍运行在相同的时间。

时间步长

类似的妥协必须“时间步”的频率计算气候系统的状态模型。在现实世界中,时间是连续的,但是一个模型需要时间切成一口大小的块,使计算可控。

每个气候模型,这在某种程度上,但最常见的方法是“跨越法”,解释道保罗威廉斯教授大气科学教授biwei6868雷丁大学,在一个本章在这个主题:

“超越的角色模型是3月天气及时提出,允许对未来的预测。以同样的方式,一个孩子在操场上进步在另一个孩子从后面到前面,模型的例子在现在从过去到未来。”

换句话说,模型需要的气候信息从之前的和现在的时间推断转发到下一个步骤,等等。

与网格细胞的大小,一个较小的时间步长意味着模型可以产生更多的详细的气候信息。但这也意味着模型计算在每次运行。

例如,计算气候系统的状态在整个世纪的每一分钟需要50米计算每个网格单元——而只计算它每天需要36500年。这范围,所以科学家们如何决定时间步使用什么?

答案可以归结为寻找一个平衡,威廉姆斯告诉碳简要:必威手机官网

“数学来说,正确的方法是保持减少模拟时间步,直到聚合结果停止改变。然而,我们通常缺乏运行的计算资源与时间步这个小模型。因此,我们不得不忍受更大的时间步长比我们理想的。”

气候模型的大气成分,大约30分钟的时间步”似乎是一个合理的妥协”之间的精度和计算机处理时间,威廉姆斯说:

“任何较小和提高精度不足以证明额外的计算负担。任何大的和模型运行非常快,但仿真质量会差。”

将所有这些碎片拼凑起来,气候模型可以产生一个代表整个气候系统每隔30分钟在几十年甚至几个世纪。

作为Gavin Schmidt博士美国国家航空航天局戈达德太空研究所的主任,描述了2014年在他的TED演讲,小规模的交互流程模型意味着它创建了一个模拟的气候,从地球表面水分的蒸发,形成云,雨,风带着他们,最终下跌。

施密特称这些“涌现性”在他的谈话中,气候的特点并不特别编码模型,但模型模拟结果的所有个人构建的过程。

它类似于一个足球队的经理。他或她选择的团队,选择上的形成和解决策略,但一旦球队在球场上,经理不能决定如果团队成绩或承认一个目标。在气候模型中,科学家设置基本规则基于地球的物理系统,但它是模型本身造成的风暴,干旱和海冰。

所以总结:科学家把地球的气候的基本物理方程为一个计算机模型,然后能够繁殖——在许多其他事情——海洋环流、年度周期的季节,地表和大气之间的流动的碳。

你可以看下面的整个施密特说。

尽管上述大致解释了什么是气候模型,有许多不同的类型。阅读下面的问题,详细探讨这些。

^回到顶部

不同类型的气候模型是什么?

最早的和最基本的数值气候模型能量平衡模型(实证)。必威体育在线注册度不模拟气候,而是考虑之间的平衡的能量进入地球大气层从太阳和热量释放空间。必威体育在线注册他们唯一的气候变量计算表面温度。的简单的实证只需要几行代码,可以运行在一个电子表格。

这些模型是“强”,这意味着他们把地球作为一个整体;从本质上讲,作为一个单一的点。别人1 d,比如那些因素在不同纬度的能量转移的地球表面(主要从赤道到两极)。必威体育在线注册

一步从实证辐射对流模型,模拟传输的能量通过大气的高度——例如,通过对流热空气上升。必威体育在线注册辐射对流模型可以计算不同层的温度和湿度的大气。这些模型一般只考虑1 d -能源运输到大气中,但它们也可以2 d。必威体育在线注册

下一个级别是大气环流模型(GCMs),也被称为全球气候模型,模拟气候本身的物理。这意味着他们捕获大气中的空气和水的流动和/或海洋,以及热量的传递。

早期模型只能模拟地球系统的一个方面,比如在“大气”或“ocean-only”模型,但他们这样做在三维空间中,将大气中的许多公里的高度或深度的海洋在许多模型层。

更复杂的“耦合”模型把这些不同的方面在一起,连接在一起的多个模型提供一个全面的表示气候系统。硕士耦合环流模式(或“AOGCMs”)可以模拟,例如,热量的交换和淡水之间的陆地和海洋表面和上面的空气。

下面的图表显示了如何建模者逐渐整合个体模型组件到几十年来全球耦合模型。

随着时间的推移,科学家们逐渐添加到其他方面的地球系统模型。这些曾经在独立的模拟模型,如陆地水文、海冰冰和土地。

最近的全球大气环流模型现在把生物地球化学循环的一部分——转移的化学物质生物与其环境之间,以及它们如何与气候系统交互。这些“地球系统模型”(esm)可以模拟碳循环、氮循环、大气化学、海洋生态和植被和土地利用的变化,所有影响气候如何回应人为温室气体的排放。他们有响应的温度和降雨和植被,反过来,改变吸收和释放的二氧化碳和其他温室气体排放到大气中。

皮特·史密斯教授,土壤与全球变化教授阿伯丁大学形容esm“靓丽”版本的模型:

“这个模型是模型使用也许在1980年代。这主要是由大气物理学家,所以它是与能量和质量和节约用水,这是所有的物理移动周围的人。必威体育在线注册但他们有一个相对有限的代表然后大气与海洋和陆地表面。而一个ESM试图将这些土地的交互和海洋相互作用,所以你可以把一个ESM靓丽GCM的版本。”

也有区域气候模型(rcm)做一个类似的工作模型,但在有限的领域。因为他们覆盖面积减少,rcm通常可以更快,运行在更高的分辨率比这个模型。拥有高分辨率的模型小网格细胞,因此会产生气候信息进行更详细的为一个特定的区域。

rcm是“降尺度”全球气候信息的一种方式去当地的规模。这意味着在GCM或所提供的信息没观察并将它应用到一个特定的区域或地区。降尺度更详细地覆盖在后面的问题。

最后,气候模型包括集成评估模型的一个子集(艾玛)。这些方面的社会添加到一个简单的气候模型,模拟人口,经济增长和能源使用物理气候影响和相互作用。必威体育在线注册

艾玛生产场景的温室气体排放量在未来可能会有所不同。科学家可以通过esm然后运行这些场景生成气候变化预测提供信息,可以用来通知世界各地的气候和能源政策。必威体育在线注册

在气候研究,艾玛通常用于项目未来的温室气体排放和政策方案的收益和成本,可以实现来解决它们。例如,他们是用来估计社会成本的碳的货币价值的影响,包括积极的和消极的每吨二氧化碳的排放。

气候模型的输入和输出是什么?

如果一节看里面是什么气候模型,这一关注科学家放入模型和另一边。

气候模型运行使用数据驱动气候的因素,并预测如何这些在未来可能会改变。气候模型结果可以运行pb的数据,包括数据每隔几小时在成千上万的变量在时间和空间上,从温度、云到海洋的盐度。

输入

主要的输入模型的外部因素变化的太阳的能量被地球吸收,或多少是被大气中。必威体育在线注册

这些外部因素被称为“营力”。他们中包括的变化太阳的输出长生命周期的温室气体,如二氧化碳,甲烷(CH4),氮的氧化物(一氧化二氮),卤烃——以及微小粒子气溶胶当燃烧化石燃料,排放和森林火灾和火山喷发。气溶胶反映入射的太阳光和影响云的形成。

通常,所有这些个人营力都运行通过一个模型的最佳估计过去条件或作为未来“发射场景”。这些都是潜在的途径对大气中温室气体的浓度,根据技术、能源和土地利用变化在过去的几个世纪。必威体育在线注册

今天,大多数模型预测使用的一个或多个“代表浓度通路“(rcp)提供合理的描述未来,基于全球社会的增长和发展的社会经济情况。你可以阅读更多关于不同的途径必威手机官网碳简短的文章。

模型估计也用过去的气候营力检查如何改变在过去的200年,1000年,甚至20000年。过去的营力估计使用的证据地球轨道的变化,历史的温室气体浓度,过去的火山喷发,太阳黑子数的变化,以及其他遥远的过去的记录。

还有气候模型运行“控制”,在辐射强迫是数百或数千年保持不变。这允许科学家比较模拟气候有或没有人类或自然营力的变化,和评估多少“自然的”自然变化发生。

输出

气候模型生成一个几乎完整的地球的气候,包括成千上万的不同变量每小时、每天和每月的时间。

这些输出包括温度和湿度不同层的表面的大气平流层,以及温度、盐度和海洋的酸度(pH)从表面到海底。

模型也产生的估计降雪、降雨、积雪和冰川的程度,冰盖和冰川。他们产生风速、强度和方向,以及气候特性,比如急流和洋流。

更不寻常的模型输出包括云量和高度,随着技术的变量,比如表面上升流长波辐射——多少能量释放的表面必威体育在线注册恢复到大气中,或者多少海盐是海洋中蒸发和积累在陆地上。

气候模型还产生估计”气候敏感性”。也就是说,他们计算出敏感地球温室气体浓度的增加,考虑不同气候反馈,如水蒸气和反射率的变化的“反照率”,地球表面与冰有关损失。

常见的完整列表输出从正在运行的气候模型下可从政府间气候变化专门委员会报告CMIP6项目(耦合模型相互比较项目6,或CMIP6;下面更详细地解释,生产商)。

建模者商店pb如气候数据的位置国家大气研究中心(NCAR),而且往往使数据可用netCDF文件,方便研究人员分析。

^回到顶部

什么类型的实验科学家气候模型上运行吗?

气候模型被科学家用于回答不同的问题,包括为什么地球气候的变化,以及它如何在未来可能会改变,如果温室气体排放继续。

模型可以帮助找出导致观察到的变暖过去,以及多大的一个角色自然因素与人为因素玩。

科学家运行许多不同的实验模拟气候的过去、现在和未来。他们还设计测试来看看不同气候模型的特定部分的性能。模型运行实验将会发生什么,如果我们突然翻了两番二氧化碳,或如果地球工程的方法被用来凉爽的气候。

许多不同的组织运行相同的实验他们的气候模型,产生所谓的整体模型。这些模型集合体允许研究人员检查气候模型之间的差异,以及更好地捕捉未来预测的不确定性。实验模型的一部分耦合模型相互比对项目(生产商)包括:

历史运行

在历史时期气候模型运行,从大约1850年到当代。他们使用最好的估计影响气候的因素,包括二氧化碳、甲烷和一氧化二氮浓度改变太阳能输出,气溶胶来自火山爆发,各种人类活动,土地使用的变化。

这些历史运行不“适合”实际观察到的温度或降雨,而出现的物理模型。这意味着他们允许科学家比较模型的预测追”)过去的气候气候观测记录。如果气候模型能够成功地追算过去的气候变量,如表面温度,这让科学家在模型预测的未来更有信心

历史运行也用于确定人类活动在气候变化中所发挥的作用(称为“归因”)。例如,下面的图表比较两个模型变异对观察到的气候,只有自然营力(蓝色阴影)和模型运行与人类和自然营力(粉色阴影)。

Natural-only只运行包括自然因素如太阳输出的变化和火山,但他们认为温室气体和其他人为因素在工业化前水平维持不变。人类仅仅是自然因素不变,只包括人类活动的影响,如增加大气温室气体浓度。

通过比较这两个场景(和一个综合所有因素”运行),科学家可以观察到的气候变化评估的相对贡献从人类和自然因素。这可以帮助他们找出现代气候变化的比例由于人类活动。

未来气候变暖的场景

政府间气候变化专门委员会第五次评估报告集中在四个未来气候变暖的场景,被称为代表浓度通路(RCP)场景。这些观察气候可能会改变从现在到2100年及以后。

许多事情驱动未来的碳排放,比如人口和经济增长,是很难预测的。因此,这些场景跨越广泛的期货,从“一切如常”的世界里,很少或没有采取减排措施(RCP6.0和RCP8.5),一个积极的世界缓解普遍变暖限制不超过2摄氏度(RCP2.6)。你可以阅读更多关于不同的rcp在这里。

这些RCP场景指定不同数量的辐射营力。模型使用这些营力研究地球系统将如何改变在每个不同的通路。即将到来的CMIP6锻炼,与政府间气候变化专门委员会第六次评估报告,将增加四个新RCP场景填补空白的四个已经在使用,包括一个符合的场景1.5摄氏度温度极限。

控制运行

控制运行是有用的检查中是如何表达自然变化模型,没有其他变化。他们也用于诊断”模型的漂移”,假的长期变化发生在模型无关的自然变化或改变外部强迫。

如果一个模型是“漂移”它将经历改变超出一般的自然变化复一年和十年又十年,尽管影响气候的因素,如温室气体浓度,不变。

模型控制运行启动期间在现代工业活动大幅度增加的温室气体。然后他们让模型运行数百或数千年不改变温室气体,太阳活动,或任何其他外部因素影响气候。这不同于natural-only运行作为人类和自然因素都保持不变。

大气模型相互比较项目(AMIP)

气候模型包括大气、陆地和海洋。AMIP运行有效地“关掉”除了大气,使用固定的值基于观察的陆地和海洋。例如,AMIP运行使用观察海洋表面温度作为输入到模型中,使地表温度和大气中不同层的温度响应。

气候模型通常会有自己的内部变化——短期气候周期等海洋厄尔尼诺和拉尼娜现象在不同的时间发生的事件——比在现实世界中发生了什么。AMIP运行允许建模与海洋温度观测,以便内部变化的模型发生的同时观察和随着时间的变化都比较容易。

突然4 x二氧化碳运行

气候模型比较项目,如CMIP5,一般要求所有模型进行一系列的“诊断”的情景来测试性能在不同的标准。

其中一个测试是一个“突然”的二氧化碳增加工业化前的水平高出4倍——从280 ppm (ppm)到1120 ppm,保持所有其他因素影响气候不变。(背景,目前的二氧化碳浓度400 ppm左右)。这使得科学家们看到地球的温度响应速度的变化相比,二氧化碳在他们的模型中。

1%二氧化碳运行

另一个诊断测试工业化前水平的二氧化碳排放量增加1%,每年直到二氧化碳最终成倍增加,达到1120 ppm。这些场景还保持所有其他因素影响气候变化。

这允许模型分离的影响逐渐增加CO2一切发生在更复杂的场景中,例如气溶胶的变化和其他温室气体,如甲烷。

古气候运行

在这里,模型运行对于过去的气候(古气候)。模型运行许多不同的时间:过去1000年;的全新世跨越过去12000年;最后一个冰川最大21000年前,在最后一个冰河时代;最后一个间冰期大约127000年前,的中新世暖期3.2年前;和快速变暖的不寻常的时期称为Paleocene-Eocene热最大年前约55米。

这些模型使用可用的最佳估计地球的过去气候影响因素——包括太阳能输出和火山活动,以及长期改变地球的轨道和大陆的位置。

这些古气候模型可以帮助研究人员理解过去多大波动在地球的气候发生吗,比如那些在冰河时代,以及海平面和其他因素改变了气候变暖和变冷时期。这些过去的变化提供了一个指导未来,如果气候变暖还在继续。

专门的模型试验

作为CMIP6的一部分,世界各地的研究小组正在进行许多不同的实验。这些包括看着气溶胶的行为模型,云的形成和反馈,冰盖应对变暖,季风变化,海平面上升,土地利用变化,海洋和火山的影响。

科学家还计划地球工程模型相互比对项目。这将如何响应模型硫化物气体注入到平流层凉爽的气候,以及其他潜在的干预措施。

^回到顶部

世界各地的气候模拟谁呢?

有20多个科研机构在世界各地发展气候模型,通常与每个中心大楼和精炼几个不同的模型在同一时间。

他们生产的模型通常是——尽管没有想象力——自己的名字命名的中心。因此,例如,英国气象局哈德利中心开发了“HadGEM3“家庭的模式。与此同时,NOAA地球物理流体动力学实验室产生了“GFDL ESM2M“地球系统模型。

模型越来越多地协作,这通常是反映在他们的名字。例如,哈德利中心和更广泛的自然环境研究理事会(NERC在英国)社区联合开发“UKESM1“地球系统模型。英国气象局哈德利中心的HadGEM3模型的核心。

另一个例子是社区地球系统模型(CESM)开始的国家大气研究中心(NCAR)在美国在1980年代早期。顾名思义,该模型是一个产品的成千上万的科学家之间的合作(以及免费下载和运行)。

事实上有很多造型中心全世界经历类似的过程是一个“非常重要的气候研究链”,说克里斯•琼斯博士,英国气象局哈德利中心的植被和碳循环模型研究及其与气候的相互作用。他告诉碳简要:必威手机官网

“有可能的顺序10或15种大全球气候模拟中心产生模拟和结果。,通过比较不同的模型和不同的研究说,你可以判断哪些东西有信心,他们同意,我们没有信心,哪里有分歧。指导模型开发过程。”

如果只有一个模型,或一个造型中心,会有更少的了解它的优点和缺点,琼斯说。和而不同的模型,有很多相关的合作研究和讨论组之间——他们通常不去使用相同的程度的代码行。他解释说:

“当我们开发一个新的造型方案,我们将发布计划的科学文献的方程,所以它是同行评议。这是公开和其他中心可以比较他们所使用。”

下面,碳短暂映必威手机官网射气候模拟中心,促成了第五耦合模型相互比较项目(CMIP5),送入IPCC的第五次评估报告。鼠标在个人中心的地图来找到更多关于他们。

大多数的造型中心在北美和欧洲。然而,值得注意的是,CMIP5列表不是详尽的库存造型中心——特别是因为它关注机构的全球气候模型。这意味着清单不包括中心专注于区域气候模型或天气预报,琼斯说:

“例如,我们做很多与巴西合作,集中他们的全球大气环流模型对天气和季节性预测。在过去,他们甚至使用的一个版本HadGEM2 CMIP5提交数据。CMIP6他们希望运行巴西地球系统模式(“BESM”)。”

在多大程度上每个造型中心的计算机代码公开跨机构不同。有许多模型在科学界免费许可证。这些通常需要签署许可证,定义了使用条款和分布的代码。

例如,ECHAM6GCM开发的马克斯普朗克研究所的气象在德国下可用许可协议(pdf),它规定,使用其软件”是只允许合法的科学研究和教育目的”和“不用于商业目的”。

该研究所指出的那样许可证协议的主要目的是让它知道是谁使用模型和建立与用户的联系方式。它说:

“[T]他MPI-M软件开发必须保持控制和记录。这是下面的许可协议背后的精神…也很重要模型开发人员提供反馈,报告错误和建议改进的代码”。

其他型号根据牌照的例子包括:NCARCESM模型(如前所述),美国国家航空航天局戈达德太空研究所的模型这个模型,各种型号的拉普拉斯研究所在法国(IPSL)气候模拟中心。

^回到顶部

生产商是什么?

有这么多机构发展和气候模型运行,每组有可能接近其造型以一种不同的方式,减少类似的结果如何。

这就是耦合模型相互比对项目(“生产商”)。为气候模型实验的生产商是一个框架,允许科学家分析,验证和改善全球大气环流模型以系统的方式。

名称中的“耦合”意味着所有项目的气候模型耦合模型硕士。英国气象办公室的克里斯•琼斯博士解释说“相互比对”的意义的一部分的名字:

“相互比较的想法来自很多年前不同的造型组将有不同的模型,但他们还会略有不同,他们会运行不同的数值实验。当你来比较结果差异是由于模型不确定或因为他们不同设置方式不同。”

生产商是设计为一个方法使一致的所有气候模型实验,不同造型中心在做。

自1995年成立以来,生产商通过几代和每次迭代变得更复杂的实验设计。新一代轮每5 - 6年。

在其早期,包括生产商的实验,例如,造型的影响,大气中的二氧化碳浓度1%的年度增长(如上所述)。在后面的迭代中,实验将更详细的排放情况,等代表浓度通路(rcp)。

设置模型以同样的方式,使用相同的输入意味着科学家们知道,不同的气候变化预测的模型到模型本身的差异。这是试图理解的第一步是什么造成这些差异。

输出,每个造型中心生产然后在加载中央门户网站管理的,气候模型诊断程序和相互比较(PCMDI),在许多学科和来自世界各地的科学家们可以自由和公开访问。

生产商的责任工作组耦合模型委员会的一部分世界气候研究计划(塑)总部在日内瓦世界气象组织。此外,生产商面板负责实验的设计和数据集,以及解决任何问题。

研究人员发表论文的数量根据生产商数据”已经从几十到超过一千”,说Veronika艾林教授主席的生产商面板中,在最近的一次采访中自然气候变化。

与模型模拟CMIP5完成,CMIP6现在正在进行,这将涉及到世界各地30多个造型中心,艾林说。

以及拥有一组核心的“甲板”(诊断、评价和描述Klima)建模实验,CMIP6还将有一组额外的实验来回答具体的科学问题。这些分为单个模型相互比较项目,或者“MIPs”。到目前为止,21个MIPs推荐产品,艾林说:

“提案提交给生产商面板和接收支持如果他们满足10 community-set标准,广泛:推进进展空白标识在以前的生产商阶段,导致了塑膜大挑战,有至少八个模型组愿意参与。”

你可以看到的21个MIPs和整体实验设计CMIP6下面的示意图。

有一个特殊的问题CMIP6地矿模型的发展》,发表论文28覆盖整个项目和具体的MIPs。

CMIP6模型运行的结果将形成大量的基础研究在第六IPCC的评估报告。然而,值得注意的是,生产商是完全独立于政府间气候变化专门委员会。

^回到顶部

科学家如何验证气候模型?他们如何检查呢?

科学家测试,或“验证”,他们的模型通过比较他们反对实际的观测。这可能包括,例如,比较模型的预测与实际全球表面温度在过去的世纪。

气候模型可以检验对过去的地球气候的变化。这些比较与过去被称为“追”,如上所述。

科学家不“告诉”他们的模型如何气候改变了过去——他们不进历史温度读数,例如。相反,他们喂过去的气候营力和信息模型中生成一个“追算”的历史条件。这可能是一个有用的方法来验证模型。

气候模型追(在不同的气候因素包括温度表面,海洋和大气),雨和雪,飓风的形成,海冰范围和许多其他的气候变量被用来显示模型能准确地模拟地球的气候。

有追的历史温度记录(1850年至今),过去的2000年使用各种气候代理,甚至在过去的20000年。

特定事件对气候有很大影响,如火山爆发,也可以用来测试模型的性能。气候响应相对快速的火山爆发,所以建模者可以看看模型准确地捕捉大爆发后会发生什么,在等几年。研究表明模型准确的项目的变化温度而在大气水蒸气在主要的火山喷发。

气候模型也对气候平均状态相比,被称为“气候学”。例如,研究人员检查,看看地球的平均温度在冬季和夏季是类似的模型和现实。他们还比较海冰范围模型之间的观察,可以选择使用模型,更好地代表当前的海冰在项目未来的变化。

实验运行许多不同的模型相同的温室气体浓度和其他“推手”,如模型相互比对项目,提供一种方法来查看模型之间的相似点和不同点。

许多地方的气候系统,所有模型的平均值可以更准确比大多数个体模型。研究人员已经发现,预测可以给更好的技能,更高的可靠性和一致性,当几个独立模型相结合。

检查模型是否可靠的一种方法是比较预测将来的变化对如何在现实世界中。这很难与长期的预测,然而,因为它将需要很长时间才能评估当前模型的执行。

最近,碳短暂发现自1必威手机官网970年代以来科学家们产生的模型一般做得不错预测未来的气候变暖。下面的视频展示了一个示例模型追比实际的表面温度和预测。

气候模型预测全球变暖有多好?不太严重……跟随链接在我们阅读更多的生物。罗莎蒙德皮尔斯…动画的碳短暂,图由齐克Hausfather。必威手机官网#biwei6868 ipcc科学# # # globaltemperature # climatescience climatemodel #全球变暖#温度

一篇文章共享的必威手机官网(@carbonbrief)2017年10月5日在10:09am PDT

^回到顶部

气候模型是如何“parameterised”和调优?

正如上面提到的,科学家没有无限的计算能力,所以有必要地球模型划分成网格细胞,使计算更加可控。

这意味着每一步通过时间的模型,计算每个网格单元的平均气候。然而,有许多流程在气候系统和地球表面,发生在尺度在单个细胞。

例如,地表的高度将平均在整个网格单元在一个模型中,这意味着它可能忽略了细节的任何物理特性,比如山脉和山谷。同样,云可以形成和消散的尺度远小于一个网格单元。

为了解决这个问题,这些变量是“parameterised”,这意味着他们的计算机代码中定义的值,而不是计算的模型本身。

下图显示了一些通常parameterised的过程模型。

参数化也可能作为一个简化气候过程并不清楚。参数化的一个不确定性的主要来源在气候模型。

在许多情况下,是不可能缩小parameterised变量为一个值,所以模型需要包含一个估计。科学家运行测试与模型找到值的值或范围,允许模型给气候的最佳代表。

这个复杂的过程被称为“调”或“校准”模型。虽然它是一个气候模拟的必要组成部分,它不是一个特定的过程。在1922年,例如,一个皇家学会的论文理论统计识别“参数估计”造型三个步骤之一。

詹姆斯博士屏幕在气候科学助理教授biwei6868埃克塞特大学,描述了科学家如何调整他们的模型的海冰反照率(反射率)。他告诉碳简要:必威手机官网

“在很多海冰模式,海冰反照率是一个参数设置为一个特定的值。我们不知道冰反照率的“正确”价值。有一些不确定性范围与观测的反照率有关。所以同时开发自己的模型,模拟中心可能略有不同,但合理的试验——参数值,以模型的一些基本特征海冰尽可能从观察我们最好的估计。例如,他们可能想确保季节性周期看起来正确的或有大致正确的平均数量的冰。这是调优。”

如果所有参数是100%确定,那么这个校准不会是必要的,屏幕上的笔记。但科学家们知识的气候并不完美,因为他们从观测证据是不完整的。因此,他们需要测试参数值以合理的模型输出的关键变量。

因为大多数的全球模型将包含参数化方案,几乎所有造型中心进行模型优化。一个2014年的调查(pdf)发现,在大多数情况下,建模优化他们的模型,以确保长期的平均状态的气候是准确的——包括等因素绝对温度,海冰的浓度,表面反照率和海冰范围。

因子通常针对——在70%的情况下——是顶部的辐射平衡的气氛。这个过程涉及调整参数化尤其是云粒子物理学,对流和云分数——但也下雪,海冰反照率和植被。

这个调整不涉及简单的“拟合”历史的观察。相反,如果一个合理的选择不同的参数会导致模型结果显著观察到的气候学建模者可以决定使用一个不同的一个。类似地,如果一个模型更新导致广泛分歧的观察,建模者可能会寻找bug或其他因素,解释这一差别。

美国国家航空航天局戈达德太空研究所主管加文·施密特博士告诉碳简要:必威手机官网

“全球平均趋势监控理智,但不是(通常)精确调整。在这一点上有很多讨论的社区,但所有人都清楚这需要更加透明。”

什么是偏差纠正?

虽然气候模型模拟地球气候的总体,包括熟悉的气候特征,如风暴,雨季,急流,信风和厄尔尼诺周期——他们是不完美的。这种情况尤其在地区和地方尺度上,在那里模拟可以大幅偏离观测到气候,被称为“偏见”。

这些偏见发生因为气候系统模型的简化和全球模型使用的大型网格细胞可以错过当地气候的细节。

在这些情况下,科学家将“偏差纠正”技术应用到模型数据,解释道道格拉斯博士Maraun的负责人区域气候模拟和分析研究小组格拉茨大学的,一本书的作者之一”统计降尺度和气候研究的偏差纠正”。他告诉碳简要:必威手机官网

“想象你是一个工程师,必须保护水对山洪从山谷附近山上的小溪。保护应该是去年在接下来的几十年,所以你必须考虑到未来你河流域降雨量的变化。气候模型,即使他们解决相关的天气系统,可能有偏见而真实的世界。”

水的工程师,负责气候模型的输出作为输入的洪水风险模型山谷,这种偏见可能是至关重要的,Maraun说:

“假设一个情景,在这个情景中你有严寒在现实中,雪是下降,地表径流从暴雨非常低。但模型模拟积极气温、降雨和洪水。”

换句话说,以大规模的气候模型的输出为并运行它通过大量模型可以给一个误导性的印象洪水风险的特定的山谷。

解决这个问题——气候预测和生产水工程师可以使用在设计防洪设施——科学家“偏差纠正”适用于气候模型输出。

教授埃德·霍金斯气候科学教授biwei6868雷丁大学碳简短解释道:必威手机官网

“偏差纠正——有时被称为“校准”——占偏见的过程在气候模型模拟预测提供更符合可用的观察。”

从本质上说,科学家们比较长期统计模型输出与观察到的气候数据。正确使用统计技术,然后他们中的任何偏差模型输出,以确保它符合当前气候系统的知识。

偏差纠正往往是基于平均气候信息,Maraun指出,虽然更复杂的方法调整太极端。

偏差校正步骤在造型过程中尤其有用当科学家正在考虑气候方面的阈值是非常重要的,霍金斯说。

一个例子来自2016年研究由霍金斯,如何通过北极海冰航线可以打开,因为气候变化。他解释说:

“北极航运在未来的可行性取决于预期的海冰厚度,不同类型的船舶无法旅行,如果冰达到临界厚度沿着路线在任何时候。如果气候模型模拟过多或过少的冰今天在一个特定位置然后船的路线可行性的预测也将是不正确的。

“然而,我们能够使用正确观测冰层厚度的模拟的海冰厚度的空间偏见在北极和生产预测比没有偏差纠正更加一致。”

换句话说,利用偏差纠正模型中模拟的海冰的今天,霍金斯和他的同事们可以更有信心的对未来的预测。

通常,偏差纠正是仅适用于模型输出,但在过去也一直在运行中使用的模型,Maraun解释道:

“直到大约十年前很常见的调整不同模型之间的通量组件——例如,海洋和大气——在每个模型一步观察字段由所谓的通量修正”。

最近的进步造型意味着通量修正主要是不再需要。然而,一些研究人员所提出的建议通量修正仍然可以用来帮助消除模型中剩余的偏见,Maraun说:

“例如,大多数模型模拟太冷北大西洋,连锁反应一个问题,例如,大气环流和降雨模式在欧洲。”

通过推动模型保持模拟北大西洋(基于观测数据),我们的想法是,这可能产生,例如,更准确的模拟降雨对欧洲。

然而,有潜在的缺陷在使用通量修正,他补充说:

”这种方法的缺点是,有一个人工力量模型,把模型对观察和这样一支部队甚至可能抑制模拟气候变化。”

换句话说,如果一个模型没有创造足够的降雨在欧洲,它可能是原因除了北大西洋,Maraun解释道。例如,它可能是由于模仿风暴跟踪发送错误的地区的暴雨。

这加强了这一点,科学家们需要小心不要应用偏差纠正不了解潜在的偏见的原因,总结Maraun:

“气候研究人员需要花费更多的努力理解模型偏差的起源,和研究人员做偏差纠正需要包括这些信息到他们的研究。”

在最近的观点文章中自然气候变化Maraun和他的合著者说,“电流偏置校正方法可以改善气候模拟的适用性”,但他们不能,不应该被用来克服更重要的限制与气候模型。

^回到顶部

气候模型预测的温度有多准确?

气候模型的一个最重要的输出是全球表面温度的投影。

为了评估他们的模型表现如何,科学家比较观测地球的气候和温度模型的未来预测和历史温度“追”。科学家可以评估温度预测的准确性通过观察单个气候模型和所有的平均值模型对比观察到的变暖。

历史温度变化自1800年代末由很多因素驱动的,包括大气中温室气体浓度的增加,气溶胶,太阳活动的变化,火山爆发,土地利用的变化。自然变化中也扮演了重要的角色在较短的时间尺度。

如果模型做好捕捉气候响应在过去,研究人员可以更自信的认为他们会准确地应对同样的因素在未来的变化。

必威手机官网碳简要探讨了如何比较气候模型详细观察在最近的一次分析部分,观察表面温度预测在1970年代以来气候模型匹配的现实。

模型的估计大气温度比观察运行有点温暖,而海洋热含量模型匹配的最佳估计观察到的变化很好。

比较模型和观测有些棘手的锻炼。最常用的值来自气候模型对空气的温度略高于水面。然而,观察温度记录相结合的空气的温度略高于水面,在陆地上,海洋的表层海水的温度。

比较全球气温模型相结合的空气温度和海洋表面温度的观测可以创建问题。以解决这个问题,研究人员已经创造了他们所谓的“混合领域”来自气候模型,其中包括海洋的海水表面温度和表面气温对土地,为了匹配实际测量的观测。

这些混合模型的字段显示全球变暖略低于表面空气温度,空气在海洋的变暖速度比近年来海洋表面温度。

必威手机官网碳短暂的下图显示的平均气温从所有CMIP5模型(黑色虚线)和混合领域的平均CMIP5模型(固体黑色线)。灰色区域显示结果的不确定性模型,称为95%置信区间。个人彩色线代表不同的组,观察温度估计等气象局哈德利中心,美国国家海洋和大气管理局和美国国家航空航天局。

RCP4.5 CMIP5混合陆地/海洋模型(黑色),平均two-sigma模型范围(灰色)和观测温度记录美国国家航空航天局,美国国家海洋和大气管理局,HadCRUT,卡谭和方式,伯克利地球从1970年到2020年。黑色虚线显示原始(未混合的)CMIP5 multimodel的意思。2017年的初步价值是基于通过8月底温度异常。图通过碳短暂使用必威手机官网Highcharts。

的混合域模型通常也比较匹配变暖的观察,而模型显示的气温变暖一点,他们包括大洋上的空气的温度,而不是海洋表面本身。观察都是模型的95%置信区间内运行时,表明模型做一个好地反映了短期的自然变化由厄尔尼诺现象和其他因素。

模型预测从1880年到2100年的长时间如下图所示。它展示了19世纪后期以来的长期变暖和预测未来气候变暖的一个场景下的相对快速减排(称为“RCP4.5”),全球气温达到约2.5 c高于工业化前的水平,到2100年(约2摄氏度以上,1970 - 2000年基准图所示)。

之前的图一样,但从1880年到2100年。预测到2100年使用RCP4.5。注意,这个和之前的图使用1970 - 2000年基准期。图通过碳短暂使用必威手机官网Highcharts。

预测的气候从1800年代中期开始同意相当好观察。有一些时间,比如1900年代早期,地球模型预计比起来有点冷,或者1940年代,观测有点温暖。

总体而言,强者之间的通信模型和观测到的温度增加科学家的信心,模型准确地捕获气候变化驱动因素和水平的短期在地球气候的自然变化。

自1998年以来的时期,当观察有点低于模型预测,最近自然纸探讨了发生这种情况的原因。

研究人员发现,一些不同的是通过使用混合字段从模型来解决。他们认为,剩余的分歧可以通过短期的组合占自然变化(主要是在太平洋),小火山和低于预期的太阳能输出并不包含在2005后的预测模型。

全球表面平均温度只有一个许多变量包含在气候模型和模型可以对许多其他气候指标评估。有特定的“指纹“人类,低层大气的温度,例如,在两个模型和观察。

模型预测针对温度观察检查表面,海洋和大气,历史雨和雪数据,飓风的形成,海冰范围和许多其他的气候变量。

模型通常搞好匹配全球观察,尽管一些变量,如降水在地区层面上,很难得到正确的。

^回到顶部

在气候模拟的主要局限性是什么?

值得重申的是,气候模型不是一个十全十美的代表地球的气候,也不可以。随着气候本质上是混乱的,不可能模拟预测的准确率为100%,但是模型做一个很好的工作在正确的气候。

由模型预测的准确性也依赖于预测,进入他们的质量。例如,科学家们不知道温室气体排放将会下降,所以根据不同的场景进行估算未来的社会经济发展。这又增加了一层不确定因素对气候预测。

同样的,有未来的方面会如此罕见的地球的历史上,他们很难做出预测。一个例子是,冰盖可能破坏加速融化,全球海平面上升的预期。

然而,尽管模型变得越来越复杂,复杂,仍存在方面的气候系统,他们难以捕获以及科学家希望。

云

的一个主要气候模型的局限性是如何代表云。

云是一个恒定的气候科学家的眼中钉。它们覆盖大约三分之二的地球一次,然而个人云在几分钟内可以形成和消失;他们可以既温暖又凉爽的地球,根据云的类型和一天中不同的时间;和科学家没有记录的云是什么样的在遥远的过去,使其难以确定以及他们如何改变了。

某一方面的困难在造型云归结为对流。这是一个过程,在地球表面的热空气上升穿过大气层,冷却,然后它所包含的水分凝结形成云。

在炎热的天气,空气迅速变暖,使对流。这可以带来强烈,短期降雨,常常伴随着雷声和闪电。

对流的降雨可能发生在短时间尺度和非常具体的领域。全球气候模型,因此,有一个决议,太粗来捕获这些降雨事件。

相反,科学家们用“参数化”(见上图)代表的平均对流的影响在一个单独的网格单元。这意味着全球大气环流模型不能模拟个体风暴和当地高降雨,解释道丽齐Kendon博士高级极端气候科学家气象局哈德利中心碳简单:必威手机官网

“因此,全球大气环流模型无法捕捉时间和夏季降水极端降水强度在sub-daily。因此,我们对未来的预测低信心每小时降雨量或对流极端模型或粗分辨率rcm。”

(必威手机官网碳简短本周晚些时候将发布一篇文章探索气候模型的预测降水)。

为了帮助克服这个问题,科学家们一直在发展高分辨率气候模型。这些网格细胞几公里宽,而不是数十公里。这些“convective-permitting”模型可以模拟较大的对流风暴不需要参数化。

然而,有更详细的权衡模型还不能覆盖整个地球。尽管较小的区域,使用超级计算机——这些模型仍然需要很长时间,尤其是如果科学家想要运行大量的模型的变化,称为“合奏”。

例如,模拟未来气候对非洲的一部分黑斑羚项目(“对非洲气候改善模型流程”)使用convection-permitting模型覆盖所有的非洲,但只有一个乐团成员,Kendon说。同样,下一组英国气候预测,明年(“UKCP18”),将运行10乐团成员,但英国。

但把这些convection-permitting模型扩展到全球范围内仍有待时日,指出Kendon:

“它可能是许多年前我们买得起[]的计算能力convection-permitting全球气候模拟,特别是对于多个乐团成员。”

双ITCZ

相关问题的全球模型是“云双ITCZ”。的热带辐合区ITCZ,是一个巨大的低压带环绕地球赤道附近。它支配的年降雨量模式的热带地区,使之成为一个非常重要的特性数十亿人的气候。

南北ITCZ游荡在热带地区,每年大约通过季节跟踪太阳的位置。全球气候模型做重现ITCZ的模拟——出现的个体之间的相互作用的物理过程模型中的编码。然而,作为一个气候杂志》的论文科学家在加州理工学院解释说,在美国有些地区气候模型难以代表ITCZ的位置正确:

”[O]版本东太平洋ITCZ位于赤道以北的大部分,蜿蜒的几度的纬度在[的]六度纬度线。然而,短暂的春天,它分裂成两个ITCZs横跨赤道。目前的气候模型分成两个ITCZs夸大,导致模型的知名double-ITCZ偏见。”

大多数模型显示某种程度的双重ITCZ的问题导致它们来模拟降雨太多了在南半球的热带地区有时赤道太平洋降雨量不足。

双ITCZ”也许是最重要的和最持久的偏见在目前的气候模型”,说博士Baoqiang香的首席科学家地球物理流体动力学实验室在国家海洋和大气管理局在美国。

的主要含义是,模型预测的信心较低的ITCZ随着气候变暖可能会改变。但有连锁影响,香告诉碳简要:必威手机官网

“例如,大多数目前的气候模型预测信风减弱的放缓沃克环流。[的]双ITCZ问题的存在可能会导致一个低估信风减弱。”

(信风挥之不去的东风,绕地球赤道两侧的。)

此外,2015年的一项研究《地球物理研究快报表明,因为双ITCZ影响云计算和水蒸气反馈模型,因此气候敏感性发挥作用。

他们发现模型与一个强大的双ITCZ较低价值的平衡气候敏感性(ECS),这意味着“大部分模型可能低估了ECS”。如果模型低估了ECS,气候温暖更多的针对人为排放比他们目前的预测。

双ITCZ模型的原因是复杂的,香告诉碳短暂,一直是许多研究的主题。必威手机官网可能存在很多因素,湘说,包括在模型parameterised对流的方式。

例如,一个美国国家科学院院刊》上biwei6868纸在2012年建议这个问题源于大多数模型没有生产足够的厚云“oft-overcast南大洋”,导致摩根士丹利温度在整个南半球,也是一个向南热带降雨的转变。

至于当科学家的问题可能会解决这个问题,湘说,这是一个很难回答:

“从我的观点来看,我认为我们可能无法完全解决这一问题在未来十年。但是,我们已经取得了显著的进展,改善对物理模型的理解,增加模型分辨率和更可靠的观察。”

急流

最后,气候模型的另一个常见的问题是与的位置急流气候模型。急流是蜿蜒的河流大气中高速流动的高风。他们可以漏斗天气系统西向东穿过地球。

与ITCZ一样,气候模型重建急流的基本物理方程包含在他们的代码。

然而,急流经常似乎太“带状”模型——换句话说,他们太强大,太直,解释道Tim Woollings博士,物理气候科学讲师的牛津大学和前领导人共同会见Office-Unibiwei6868versities阻塞过程评估小组和风暴。他告诉碳简要:必威手机官网

“在现实世界中,飞机转向北一点,因为它跨越大西洋(太平洋)。模型低估了这个问题,因为飞机经常朝赤道方向平均太远。”

因此,模型并不总是做得正确的路径,低压天气模式——称为“风暴”。风暴模型中经常过于缓慢,Woollings说他们得不到足够强大,彼得过快。

有办法改善这种情况,说Woollings,但有些人比其他人更简单。一般来说,增加模型的分辨率可以帮助,Woollings说:

“举个例子,当我们增加分辨率,山的山峰有点高,这有助于偏转飞机小北。更复杂的事情也会发生;如果我们能得到更好的,更积极的风暴在模型中,可以在射流产生连锁反应,这在一定程度上是由风暴。”

模型(山峰获得更高分辨率的增加,因为更详细地允许模型“看见”更多的山,因为它对顶部缩小。)

另一个选择是改善的模型表示大气的物理方程,Woollings补充说,使用“新的,聪明的计划(近似)中的流体力学计算机代码”。

^回到顶部

过程改进模型是什么?

开发一个气候模型的过程是一个长期的任务,不结束一次模型已经发表。大多数造型中心将更新和改善他们的模型在一个连续不断的循环,与开发过程,科学家花费几年建立下一个版本的模型。

一旦准备好了,新的模型版本合并所有的改进都可以释放,克里斯·琼斯博士说从英国气象局哈德利中心:

“这有点像汽车公司构建未来模型的某辆汽车所以他们犯了同样的一个多年来,然后突然一个新的出来,他们一直在发展。我们做同样的气候模型”。

在每个周期的开始,气候模型复制的一系列观测识别相比,最大的问题,Tim Woollings博士解释说。他告诉碳简要:必威手机官网

“一旦这些标识,注意通常转向评估物理过程影响这些地区和努力改善这些过程的表示模型中。”

这是如何实现的情况下不同情况下,Woollings说,但通常会得到一些新的改进代码:

“这可能是整个行代码,处理过程以一种稍微不同的方式,或者有时仅仅是改变现有的参数一个更好的价值。这很可能是出于新研究,或者其他人的经验(造型中心)。”

有时在这个过程中,科学家们发现一些补偿问题,他补充道:

“例如,过程被发现太强烈,但这似乎补偿进程B的过于薄弱。在这些情况下,过程通常是固定的,即使它使模型更糟糕的是在短期内。然后注意力转向修复过程。在一天结束的时候,该模型代表的物理过程更好,我们有一个更好的模式。”

气象局哈德利中心的开发过程涉及多个团队,或“过程评价组织”,寻求改善模型的不同的元素,Woollings解释道:

“过程评价组织本质上是工作组的照顾模式的某些方面。他们在区域监控偏差模型发展了,和测试新方法减少这些。这些组织定期会面,讨论他们的区域,通常包含来自学术界的成员以及气象局科学家。

每个小组正在研究改进,然后一起到新模型。模型完成后,就可以开始运行,琼斯说:

“最后两到三年的过程中,我们有一个新一代模型,我们认为比最后一个,然后我们可以开始使用的回到我们之前看过的科学问题,看看我们可以回答得更好。”

^回到顶部

科学家如何产生特定区域气候模型信息吗?

全球气候模型的一个主要的限制是,它们由网格细胞通常是约100公里的中纬度地区的经度和纬度。当你考虑到英国,例如,宽仅略超过400公里,这意味着它在一个由少数GCM表示网格框。

这种粗分辨率意味着GCMs小姐的地理特性,描述一个特定的位置。一些岛国如此之小,以至于GCM可能会认为他们是一片海洋,笔记教授迈克尔·泰勒,高级讲师西印度群岛大学和协调的主要作者联合国政府间气候变化专门委员会的特别报告1.5摄氏度。他告诉碳简要:必威手机官网

“如果你想想东加勒比群岛,一个东加勒比岛属于网格框,所以表现为水在这些全球气候模型”。

”甚至更大的加勒比群岛被表示为一个或最多两个网格框——得到的信息只是一个或两个网格框-这构成了限制加勒比地区的小岛,小岛。所以你不得到完善,规模越来越精致,sub-country规模信息小岛。”

科学家们解决这个问题通过“降尺度”全球气候信息本地或区域范围内。从本质上讲,这意味着在GCM或没过观察和提供的信息应用到特定的地点或地区。

小岛屿国家,这个过程允许科学家获取有用的数据为特定的岛屿,甚至在群岛地区,泰勒解释说:

“降尺度的整个过程就是试图采取大规模的信息,你可以以某种方式联系到当地的规模,或岛上规模,甚至sub-island规模”。

有两个主要类别的降尺度方法。第一个是“动力降尺度”。这就是运行模型,与全球大气环流模型类似,但对于特定的地区。因为这些区域气候模型(rcm)覆盖面积减少,他们仍然可以拥有更高的分辨率比模型和运行在合理的时间。也就是说,笔记丹·米切尔博士,在地理科学学院讲师biwei6868布里斯托大学rcm可能比全球同行慢:

“RCM 25公里网格细胞覆盖欧洲将在5 - 10倍的时间运行比GCM ~ 150公里的决议。”

英国气候预测2009 (UKCP09),例如,是一套专门为英国气候预测,从区域气候模型制作——英国气象局哈德利中心的HadRM3模型。

HadRM3使用网格细胞25公里25公里,因此把英国分成440平方。这是一个改善UKCP09的前任(“UKCIP02”),产生预测50公里的空间分辨率。下面的地图显示了更详细的25公里网格(6映射到正确的)提供比50公里网格(两个地图左),

rcm如HadRM3可以添加一个更好的代表——虽然仍有限当地因素的影响,如湖泊、山脉和海风。

尽管rcm被限制到一个特定的区域,他们仍然需要在更广泛的气候因素的影响。科学家通过喂养的信息模型或观察。泰勒解释说,这适用于他的研究在加勒比地区:

“动力降尺度,你首先要定义你要运行的域模型,在我们的例子中,我们定义一种加勒比海/泛美域——所以我们限制建模域。但是,当然,你喂到该域的边界大规模的输出模型,所以它是驱动然后finer-scale的大规模模型信息模型。这就是动力降尺度——你实际上做的造型更细,但在有限域,美联储在边界的信息。”

也可以“鸟巢”,或嵌入在GCM rcm,这意味着科学家可以同时运行多个模型同时和多个输出水平。

第二个主要类别的降尺度是“统计降尺度”。这涉及到使用观测数据建立一个统计全球和当地气候之间的关系。利用这种关系,科学家本地更改推导出基于大规模预测来自全球大气环流模型或观察。

统计降尺度的一个例子是一个天气生成器。天气发生器产生合成timeseries每天或每小时的数据为一个特定的位置。它使用观察当地的气象数据和预测未来的气候给的指示未来的天气情况可以在很短的时间尺度。(天气发电机也可以产生timeseries的天气在当前气候)。

它可以用于计划——例如,在洪水风险评估模拟现有的防洪设施是否应对未来可能的强降雨水平。

一般来说,这些统计模型可以快速运行,允许科学家开展许多模拟完成单个GCM运行时间。

值得注意的是,缩减规模的信息仍然在很大程度上依赖于信息的质量,它是基于观测数据或GCM等数据喂养。降尺度只提供更多具体地点的数据,它并不弥补任何不确定性源于它依赖的数据。

特别是统计降尺度,是依赖于所使用的观测数据获得的统计关系。降尺度还假设关系在当前的气候在变暖的世界,仍适用米切尔指出。他告诉碳简要:必威手机官网

“统计降尺度可以好多人注意到一段时间,或多人注意到感兴趣的位置,但是,总的来说,如果你把本地系统太远,将分解的统计关系。因此,未来气候预测统计降尺度限制得很糟糕。”

动力降尺度更健壮,米切尔说,尽管只有一个RCM捕获相关的流程和数据驱动他们是可靠的:

“通常气候造型,天气和气候的实现过程动力学模型不太粗全球驾驶模型不同,所以动力降尺度仅提供有限的数据的可改善。然而,如果做得好,可以用于局部动力降尺度对天气和气候的理解,但它需要大量的模型验证和在某些情况下模型开发代表可以在捕获过程,新的细尺度。”

^回到顶部