vpravo|náhled|350x350pixelů| Klimatické modely jsou systémy diferenciálních rovnic založených na základních zákonech fyziky, proudění kapalin a chemie. Pro modelování rozdělují vědci planetu do trojrozměrné mřížky, používají základní rovnice a vyhodnocují výsledky. Atmosférické modely počítají větry, přenos tepla, záření, relativní vlhkost a hydrologii povrchu v rámci každého bodu mřížky a hodnotí interakce se sousedními body. náhled|350x350pixelů|Tato vizualizace ukazuje první testovací vykreslení globálního výpočetního modelu zemské atmosféry na základě dat z Goddard Earth Observing System Model, verze 5 (GEOS-5). Model všeobecné cirkulace (GCM) je typ klimatického modelu. Využívá matematický model obecné cirkulace planetární atmosféry nebo oceánu. Používá Navierovy–Stokesovy rovnice na rotující kouli s termodynamickými proměnnými pro různé zdroje energie (záření, skupenské teplo). Tyto rovnice jsou základem počítačových programů používaných k simulaci zemské atmosféry nebo oceánů. Klíčovými složkami jsou atmosférické (AGCM) a oceánské modely (OGCM) se započtením mořského ledu a zemského povrchu.
GCM a globální klimatické modely se používají pro předpověď počasí, porozumění podnebí a předpovídání změn klimatu .
Verze navržené pro modelování klimatu na desítky až stovky let původně vytvořili Syukuro Manabe a Kirk Bryan v Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) v Princetonu v New Jersey. Tyto modely byly založeny na integraci různých rovnicích fluidní dynamiky, chemie a někdy i biologie.
Terminologie Zkratka GCM původně používala pro Model všeobecné cirkulace (General Circulation Model). Stejná zkratka se začala používat také pro Globální klimatický model (Global Climate Model). I když se nejedná o totéž, modely všeobecné cirkulace jsou obvykle nástroji používanými pro modelování klimatu, a proto se tyto dva termíny někdy používají zaměnitelně. Pojem „globální klimatický model“ je však nejednoznačný a může se vztahovat na integrovaný rámec, který zahrnuje více složek, včetně modelu všeobecné cirkulace, nebo se může odkazovat na obecnou třídu klimatických modelů, které používají různé prostředky k matematickému znázornění klimatu.
Historie V roce 1956 vyvinul Norman Phillips matematický model, který mohl realisticky znázorňovat měsíční a sezónní změny v troposféře. Stal se prvním úspěšným klimatickým modelem. Po Phillipsově práci začalo několik skupin vytvářet GCM. První model, který kombinoval oceánské a atmosférické procesy byl vyvinut na konci 60. let v Geophysical Fluid Dynamics Laboratory NOAA. Počátkem 80. let vyvinulo Národní středisko pro výzkum atmosféry USA Komunitární atmosférický model (Community Atmosphere Model – CAM); tento model byl neustále vylepšován. V roce 1996 se začaly snažit modelovat typy půdy a vegetace. Později model HadCM3 vytvořený v Hadleyově centru pro předpověď a výzkum klimatu spojil prvky oceánské atmosféry. V polovině 80. let byla doplněna role gravitačních vln. Gravitační vlny jsou třeba pro přesnou simulaci cirkulace v regionálním a globálním měřítku.
Atmosférické a oceánské modely Atmosférické (AGCM) a oceánské GCM (OGCM) mohou být propojeny tak, aby vytvořily propojený model všeobecné cirkulace atmosféry a oceánů (CGCM nebo AOGCM). Přidáním submodelů, jako je například model mořského ledu nebo model evapotranspirace nad zemí, se AOGCM stávají základem pro úplný model klimatu.
Struktura Trojrozměrné (přesněji čtyřrozměrné) modely GCM využívají pro diskrétní rovnice pro pohyb tekutin a integrují je v čase. Obsahují parametrizace procesů, jako je konvekce, které probíhají v příliš malém měřítku, takže je nejde vyřešit přímo.
Jednoduchý model všeobecné cirkulace (SGCM) sestává z dynamického jádra, které spojuje vlastnosti, jako je teplota, s ostatními, jako je tlak a rychlost. Příkladem jsou programy, které řeší základní rovnice, dané vstupní energií a disipací energie ve formě tření závislé na měřítku, takže atmosférické vlny s nejvyššími vlnovými délkami jsou oslabovány nejvíce. Takové modely lze použít ke studiu atmosférických procesů, ale nejsou vhodné pro klimatické projekce.
Atmosférické GCM (AGCM) modelují atmosféru (a obvykle také obsahují model povrchu pevniny) s využitím povrchové teploty moře (SST). Mohou zahrnovat i atmosférickou chemii.
AGCM se skládají z dynamického jádra, které integruje rovnice pohybu tekutin, obvykle pro:
povrchový tlak horizontální složky rychlosti ve vrstvách teplotu a vodní páry ve vrstvách záření, rozdělené na sluneční/krátkovlnné a pozemní/infračervené/dlouhovlnné parametry pro: proudění procesy na pevnině albedo hydrologii oblačnost
GCM obsahuje prognostické rovnice, které jsou funkcí času (obvykle vítr, teplota, vlhkost a povrchový tlak), spolu s diagnostickými rovnicemi, které se od nich vyhodnocují pro konkrétní časové období. Jako příklad lze uvést, že tlak v jakékoli výšce může být diagnostikován použitím hydrostatické rovnice na stanovený tlak na povrchu tlak a předpokládané hodnoty teploty mezi povrchem a požadovanou výškou. Tlak se používá k výpočtu síly tlakového gradientu v časově závislé rovnici pro větry.
OGCMs modelují oceán (se zahrnutím toků z atmosféry) a mohou obsahovat model mořského ledu. Například standardní rozlišení HadOM3 je 1,25 stupně zeměpisné šířky a délky s 20 svislými úrovněmi, což vede k přibližně 1 500 000 proměnným.
Modely AOGCM (např. HadCM3, GFDL CM2.X) kombinují dva dílčí modely. Odstraňují potřebu specifikovat toky přes rozhraní hladiny oceánu. Tyto modely jsou základem pro modelové předpovědi klimatu, o nichž se diskutuje v IPCC. AOGCM internalizuje co nejvíce procesů. Byly použity k poskytování předpovědí na regionální úrovni. Zatímco jednodušší modely jsou obecně citlivé na analýzu a jejich výsledky jsou snáze pochopitelné, AOGCM mohou být analyzovány téměř stejně obtížně jako samotné klima.
Mřížka Rovnice proudění pro AGCM se dělí na diskrétní použití metoda konečných diferencí nebo spektrální metody. Pro konečné diference je na atmosféru aplikována mřížka. Nejjednodušší mřížka používá konstantní úhlové rozmístění mřížky (tj. mřížka šířka/délka). Častěji se však používají pravoúhlé sítě (např. ikosahedrální) a sítě s proměnlivým rozlišením. Model LMDz může být uspořádán tak, aby poskytoval vysoké rozlišení v jakékoli dané části planety. HadGEM1 (a další oceánské modely) používají oceánskou mřížku s vyšším rozlišením v tropech, aby pomohly vysvětlit procesy, o nichž se předpokládá, že jsou důležité pro jižní oscilaci El Niño (ENSO). Spektrální modely obecně používají gaussovu mřížku kvůli matematice transformace mezi spektrálním a bodovým prostorem mřížky. Typické rozlišení AGCM je mezi 1 a 5 stupni zeměpisné šířky nebo délky: HadCM3 například používá 3,75 zeměpisné šířky a 2,5 stupně zeměpisné šířky, což dává mřížku 96 o 73 bodů (96 x 72 pro některé proměnné); a má 19 svislých úrovní. Výsledkem je přibližně 500 000 „základních“ proměnných, protože každý bod mřížky má čtyři proměnné (u, v, T, Q ), i když plný počet by jich definoval ještě více (mraky; úrovně půdy). HadGEM1 používá mřížku 1,875 stupně na délku a 1,25 na šířku v atmosféře; HiGEM, varianta s vysokým rozlišením, používá 1,25 x 0,83 stupně. Tato rozlišení jsou nižší, než se obvykle používá pro předpovědi počasí. Rozlišení oceánu bývají vyšší, například HadCM3 má v horizontální rovině 6 bodů oceánské mřížky na atmosférický bod mřížky.
U standardního modelu konečných diferencí se uniformní mřížky sbíhají směrem k pólům. To by vedlo k nestabilitám výpočtů (viz podmínka CFL), a proto musí být proměnné modelu filtrovány podél linií zeměpisné šířky blízko pólů. Také oceánské modely trpí tímto problémem, pokud není použita rotovaná mřížka, ve které je severní pól posunut na nedalekou pevninu. Spektrální modely tímto problémem netrpí. Některé experimenty používají geodetické sítě a ikosahedrální sítě, které (tím, že jsou více unifikované) nemají problémy u pólů. Jiným přístupem k řešení problému rozestupu mřížky je deformace kartézské krychle tak, že pokrývá povrch koule.
Pufrování toku Některé rané verze AOGCM vyžadovaly ad hoc proces „korekci toku“ k dosažení stabilního klimatu. Vyplývalo to z odděleně připravených oceánských a atmosférických modelů, z nichž každý používal implicitní tok z jedné složky do druhé, jiný než by tato složka mohla produkovat. Takový model neodpovídal pozorování. Pokud by však toky byly „opraveny“, mohly by být faktory, které vedly k těmto nerealistickým tokům, nerozpoznané, což by mohlo ovlivnit citlivost modelu. Proto je většina modelů používaných v aktuálním kole zpráv IPCC nepoužívá. Vylepšení modelu, která nyní činí korekce toku zbytečnou, zahrnují zlepšenou fyziku oceánu, vylepšené rozlišení v atmosféře i oceánu a fyzikálně konzistentní propojení mezi atmosférou a oceánskými submodely. Vylepšené modely nyní udržují stabilní, simulace povrchového klimatu pro několik století, které jsou považovány za dostatečně kvalitní, aby umožňovaly jejich použití pro klimatické projekce.
Proudění Proudění vlhkého vzduchu uvolňuje latentní teplo a je důležité pro energetický rozpočet Země. Proudění se vyskytuje v příliš malém měřítku, aby bylo možné jej vyřešit pomocí klimatických modelů, a proto se musí řešit pomocí parametrů. To se stalo od 50. let. Akio Arakawa tomu věnoval mnoho úsilí ve svých raných pracích a varianty jeho schématu jsou dosud používány, ačkoli je nyní k dispozici mnoho různých schémat. Mraky jsou také typicky zpracovávány jako parametr, pro podobně malé měřítko. Omezené porozumění mrakům omezilo úspěch této strategie, ale ne kvůli nějakému inherentnímu nedostatku této metody.
Software Většina modelů zahrnuje software pro diagnostiku širokého spektra proměnných pro srovnání s pozorováním nebo pro studium atmosférických procesů. Příkladem je teplota ve 2 metrech, což je standardní výška pro pozorování teploty vzduchu na povrchu. Tato teplota není přímo předpovídána z modelu, ale je odvozena z povrchových a teplot nejnižší vrstvy. K vytváření grafů a animací se používá jiný software.
Projekce vpravo|alt=In the 21st century, changes in global mean temperature are projected to vary across the world|náhled|480x480pixelů|Předpokládaná roční průměrná teplota povrchového vzduchu od roku 1970 do roku 2100, založená na emisním scénáři SRES A1B, za použití klimatického modelu NOAA GFDL CM2.1 (autorství: NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory). Spojené AOGCM používají simulace přechodného klimatu pro projektování/předpovídání klimatických změn v různých scénářích. Mohou to být idealizované scénáře (nejčastěji emise CO2 rostoucí o 1 %/rok) nebo na základě nedávné historie (obvykle scénáře „IS92a“ nebo nověji scénáře SRES). Které scénáře jsou nejrealističtější, zůstávají nejisté.
Třetí hodnotící zpráva IPCC z roku 2001, obr. 9.3,ukazuje globální průměrnou reakci 19 různých spřažených modelů na idealizovaný experiment, při kterém se emise zvyšovaly ročně o 1 %. Obrázek 9.5 ukazuje reakci menšího počtu modelů na novější trendy. U zde uvedených 7 klimatických modelů se změna teploty na 2100 mění od 2 do 4,5 °C se střední hodnotou přibližně 3 °C.
Budoucí scénáře nezahrnují neznámé události – například sopečné erupce nebo změny v solárním působení. Předpokládá se, že tyto účinky jsou ve srovnání se skleníkovými plyny (GHG) v dlouhodobém horizontu malé, ale například velké sopečné erupce mohou mít významný dočasný chladicí účinek.
Emise antropogenních skleníkových plynů jsou vstupem modelu, ačkoli je možné zahrnout i ekonomický/technologický submodel, který je také poskytne. Koncentrace skleníkových plynů v atmosféře jsou obvykle dodávány jako vstup, ačkoli je možné zahrnout model uhlíkového cyklu, který odráží vegetaci a oceánské procesy pro výpočet takových hladin.
Emisní scénáře