 |
|
 |  |
|
|
| |
 | Biologie | Chimie | Didactica | Fizica | Geografie | Informatica |
| Istorie | Literatura | Matematica | Psihologie |
Modelele cuplate reprezinta cele mai bune instrumente disponibile care se refera la problemele stiintifice actuale cele mai presante. De exemplu, s-a prevazut ca nivelul mediu global al marii va creste intre 10 si 90 cm in secolul 21comparativ cu cei 10-20 cm observati in secolul 20. Cum poate fi facuta aceasta predictie si cu ce incredere?
Pentru a se referi la o asemenea problema sunt necesare cele mai sofisticate si evoluate modele ale mediului Pamantului. In prezent aceste modele capteaza doar o parte din ceea ce se socoteste ca ar fi implicat in reprezentarea celor mai complexe interactiuni din sistemul climatic. Modelele au deficiente, atat in capacitatea de a rezolva corect ecuatiile cat si in aceea ca nu iau in considerare toate interactiunile cunoscute, fara a mai pune la socoteala posibile interactii care inca nu sunt gandite. In plus, ele reprezinta instrumentul principal pentru predictia climatica, interpretarea variabilitatii climatice si intelegerea reactiilor si interactiunilor climatului. In ultimii cativa ani s-au facut progrese considerabile in dezvoltarera si utilizarea unor astfel de modele.
In acest articol va fi considerata pentru prima data fizica modelelor cuplate si vor fi date cateva exemple de aplicatii. Desi pentru unele aplicatii se pot face simplificari masive pentru unele componente, modelele foarte specifice pentru o aplicatie data nu vor fi considerate aici: se vor discuta mai degraba doar modelele cuplate de circulatie generala (CGCMs).
Orice CGCM trebuie sa contina un model cuprinzator al atmosferei impreuna cu un model al oceanului. In mod obisnuit ambele vor acoperi globul si un model care sa acopere conditiile de uscat a acoperirii cu umezeala a solului si cu zapada va fi inclus in general ca si componenta a modelului atmosferic. Adesea exista un model al ghetii marine. Interactiile chimice, biologice si geochimice sunt in curs de dezvoltare dar in general inca nu sunt incluse. Nu toate modelele cuplate vor avea toate aceste componente. De exemplu, modelele folosite pentru a studia variabilitatea climatica - de ce un sezon nu este asemanator cu corespunzatorul sau din anul urmator - nu au inca modele de ghiata marina, in timp ce modelele pentru studiul schimbarii climatice globale - cum va raspunde climatul la schimbarea nivelurilor de gaze cu "efect de sera" - vor trebui sa aiba o componenta corecta de gheturi marine.
In forma sa cea mai simpla, modelarea atmosferei este un caz de rezolvare a ecuatiilor care guverneaza atat curgerea atmosferica cit si termodinamica. Din pacate ecuatiile sunt de o complexitate oribila si pot fi rezolvate doar aproximativ prin mijloace numerice. Se imagineaza conceptual atmosfera Pamantului ca impartita in cutii. Sunt definite valorile medii pe cutie si ecuatiile sunt modificate pentru a rezolva aceste marimi medii. In mod obisnuit in modelele climatice dimensiunea cutiilor este de citeva zeci de kilometrii pe o latura si de doar cateva zeci sau sute de metrii in grosime, dar deschizand fereastra veti putea vedea cat de multe se pot intampla la scari mult mai mici decat aceasta. Reprezentand atmosfera prin medii pe cutii trebuie sa abandonam multe procese care nu pot fi luate in considerare pentru acestea. Noi putem lua in considerare explicit cum interactioneaza aceste cutii in sensul mediei, dar procesele la scala mai mica vor fi parametrizate. Astfel cat de multi nori sunt intr-o cutie, de ce tip, de ce inaltime, ce efect vor avea ei asupra radiatiei - daca te afli sub un nor intr-o zi insorita este mult mai racoare decat daca te afli in plin soare - toate vor fi reprezentate intr-o forma oarecare prin parametrizare. Din pacate procesele de scara mai mica au o influenta importanta asupra valorilor medii astfel incat trebuie sa fie reprezentate precis, chiar daca doar statistic. Aceste aspecte vor fi discutate mai tarziu: acum, trebuie doar sa notam ca orice model al atmosferei trebuie sa includa un mecanism pentru manevrarea componentei explicite (mediile) si a proceselor la scala mai mica - parametrizarea fizica. O separare asemanatoare a scalelor in procese rezolvate explicit si de retea la sub-scara se aplica si pentru ocean si alte componente ale sistemului cuplat. Dupa cum nu este o singura cale de a face aceste parametrizari, diferite modele vor avea diverse parametrizari. Prin compararea si combinarea rezultatelor mai multor modele , este posibil sa se puna o oarecare masura in incertitudinile provenind din procesele la scale sub-retea.
Exista in prezent peste 30 de modele cuplate diferite. Atmosfera este destul de complicata si difera substantial de la un model la altul. Nu este posibil ca acestea sa fie descrise individual, asa ca vom discuta mai intai un model atmosferic ca exemplu tipic. Va fi descris, de asemenea, un model oceanic tipic. Vor fi date apoi aplicatii ale modelelor cuplate.
Ecuatiile explicite
Formularea unui model poate fi rezumata prin sapte ecuatii fizice de baza, rezolutia in timp si spatiu si calea de calcule numerice care se efecueaza. Printre ecuatiile care guverneaza modelul de ecuatii primitive al ECMWF (Centrul European de Prognoza pe Medie Durata) doua sunt diagnostice si ne spun noua despre relatiile statistice intre diferinti parametri, si anume legea gazelor, care da relatia intre presiune, densitate si temperatura si ecuatia hidrostaticii care prezinta relatia intre densitatea aerului si variatia presiunii cu inaltimea. Patru ecuatii prognostice descriu schimbarile in timp ale componentelor orizontale ale vantului, ale temperaturii si continutului de vapori de apa intr-o particula de aer. Ecuatia continuitatii exprima conservarea masei si face posibila determinarea vitezei verticale si a schimbarilor presiunii de la suprafata.
Ecuatiile miscarii ale lui Newton descriu cum se schimba momentul unei particule de aer datorita gradientului de presiune si a fortei Coriolis. Ecuatia termodinamicii exprima cum o schimbare in temperatura particulei de aer este cauzata de racirea sau incalzirea adiabatica datorita deplasarilor verticale. Ecuatia continuitatii pentru umezeala presupune ca continutul de umezeala intr-o particula de aer este constant, exceptand pierderile datorita precipitatiilor si condensarii si castigurilor din nori si precipitatii sau din oceane si continente. Suplimentar la aceasta, exista ecuatii prognostice specifice pentru fractia de nori, apa, continut de gheata si ozon. Cedarea de caldura latenta, radiatia solara si a suprafetei Pamantului, procesele de frecare sau turbulente (difuzia) sunt descrise de o maniera statistica ca procese parametrizate.
Rezolutia verticala (masurata in inaltimi geometrice) este cea mai ridicata in stratul limita planetar (PBL) si cea mai coborata in stratosfera. Atmosfera este impartita in 40 de niveluri (Figura 1). Acestea urmaresc suprafata Pamantului in stratul limita dar sunt suprafete de presiune constanta in stratosfera superioara cu o tranzitie neteda intre aceste tipuri de niveluri. Pentru rezolutia sa orizontala modelul cuplat ECMWF foloseste doua reprezentari numerice diferite. O metoda spectrala, bazata pe dezvoltari sferice armonice, trunchiate la un numar de unde total de 95, este folosita pentru reprezentarea campurilor aeriene superioare si in calculul derivatelor orizontale. Aceasta tehnica spectrala a fost introdusa pentru a imbunatati precizia in calculul termenilor care implica derivate spatiale, care este hotaratoare pentru o estimare buna a vitezei de faza. Cu rezolutie mai ridicata, atat cu modele in puncte de grila cat si in cele spectrale exista diferente in precizie mai putin importante, astfel incat exista totusi unele avantaje in folosirea reprezentarii spectrale.
Ecuatiile momentului, temperaturii si umezelii sunt cu pasi de timp inainte. O trasatura inovatoare a modelului ECMWF este folosirea schemei numerice semi-Lagrangiene in locul uneia Euleriene pentru a economisi timp de calcul si pentru a mari viteza prognozei. Intr-un cadru pur Lagrangian se cauta sa se urmareasca un set de particule de fluid marcate. O dificultate este aceea ca deformatiile de forfecare si dilatare tind sa concentreze particulele neomogen, astfel incat este dificil sa se mentina o rezolutie uniforma deasupra domeniului de prognoza. Este folosita o schema semi-lagrangiana pentru a depasi aceasta dificultate: punctele de retea sunt stationare si la fiecare pas de timp schema calculeaza o traiectorie spre inapoi din fiecare punct de retea. Punctul atins defineste unde era particula de aer la inceputul pasului de timp. Valoarea interpolata a variabilei la acel punct este facuta apoi spre inainte catre punctul de retea, aplicand diferitele procese fizice. In timp ce schemele Euleriene necesita pasi de timp mici pentru a evita instabilitatea numerica, schema semi-Lagrangiana permite pasi de timp mai lungi. (Limitarea pentru stabilitate este acea ca traiectorile nu se pot traversa, adica o particula nu poate "depasi" o alta. Testele au aratat ca pasii de timp semi-Lagrangieni pot fi de cel putin 15 ori mai lungi decat cei Eulerieni fara sa devina instabili, desi o astfel de crestere in pasul de timp ar putea fi prea lunga pentru a opera adecvat cu procesele fizice in interiorul modelului. Pentru o rezolutie spectrala de T95, pasul de timp este de 1 h. ( Daca nu ar fi folosita abordarea semi-Lagrangiana, pasul de timp ar putea fi de 5 min, aratand marele avantaj al tehnicii. Totusi, cele mai multe modele cuplate, nu pot inca utiliza aceasta tehnica.) Un avantaj viitor al tehnicii semi-Lagrangiene este acela ca permite o reprezentare mai buna a ecuatiei umezelii, unde gradientii mari ai umezelii dau adesea cresteri la valori negative intr-o formulare Euleriana daca nu se fac pasi speciali. In plus la reprezentarea spectrala, exista o reprezentare in puncte de retea folosita pentru calculul tendintelor dinamice si a parametrizarilor fizice diabatice. Asa numita retea Gaussiana este regulata in longitudine si aproape regulata in latitudine. Datorita convergentei longitudinilor catre poli, distanta est-vest intre punctele de retea descreste catre pol. Pentru a evita cateva probleme numerice in jurul polilor, dar cel mai important pentru a economisi timpul de calcul, se introduce o retea Gaussiana redusa prin reducerea numarului de puncte de retea de-a lungul linilor de latitudine mai scurte din apropierea polilor, astfel incat se pastreaza distanta aproape constanta intre punctele de pe diferite latitudini. Suprafata modelului, logic, este impartita in puncte de mare si uscat, prin utilizarea unei masti uscat-mare. Un punct de retea este definit ca punct de uscat daca mai mult de 50% din suprafata reala a cutiei este de uscat. Rezolutia tipica este de 200 km.
Procesele fizice asociate cu transferul radiativ, amestecul turbulent, atractia orografica la scala de subretea, convectia umeda, norii, procesele sol/suprafata au un impact puternic asupra curgerii atmosferei. Totusi, aceste mecanisme sunt adesea active la scale mai mici decat dimensiunea retelei orizontale. Schemele de parametrizare sunt deci necesare in scopul de a descrie adecvat impactul mecanismelor la scale sub-retea asupra curgerii la scala mare a atmosferei. Cu alte cuvinte, efectul de ansamblu a proceselor de scale sub-retea au fost formulate in termenii variabilelor scalei de retea. Procese de un interes deosebit sunt cele care se produc in apropirea solului si interschimburile cu oceanul; efectele radiatiei, norii si precipitatiile; amestecul si agitarea prin procese la scala mica. Figura 2 reprezinta schematic diferite procese fizice considerate in modelul atmosferic ECMWF.
Tratarea stratului limita planetar (PBL) joaca un rol fundamental pentru intregul sistem atmosfera-Pamant. El este cel prin care suprafata schimba moment, caldura si umezeala cel pe care atmosfera il "simte" daca se deplaseaza deasupra uscatului cu rugozitate sau a marii umede, netede. Nivelul cel mai de jos al modelului aproape la 10 m deasupra suprafetei si inca ceva mai multe niveluri sunt in interiorul a cateva sute de metri deasupra suprafetei, unde viteza umezelii si a temperaturi se poate schimba rapid. Chiar si cu aceasta rezolutie destul de ridicata, gradientii verticali de temperatura, vant, umezeala, etc., in PBL nu pot fi descrisi foarte precis, lasand de o parte transportul turbulent de moment, caldura si umezeala. Pentru estimarea acestor parametri modelul foloseste variabile la scara mai mare cum ar fi vantul, temperatura, umezeala specifica, cu ipoteza ca fluxurile sunt proportionale cu gradientii verticali. La suprafata Pamantului, fluxurile turbulente de moment, caldura si umezeala sunt calculate ca functie de diferentele aer-suprafata si caracteristici ale suprafetei. Deasupra zonelor de uscat, grosimea zapezii, temperatura solului si umezeala sunt variabile de prognoza, calculate printr-un model a solului cu patru straturi in interiorul a 2 metri de deasupra.
Pentru albedo, se foloseste deasupra uscatului un camp climatic de baza lunar. Se folosesc doua benzi spectrale in calculul radiatiei solare corespunzatoare la intrarea directa de la Soare si radiatia difuza. Deasupra apelor deschise albedoul acestora variaza diferit. Deasupra uscatului prognoza albedoului depinde de albedoul de baza si de grosimea zapezii. El are un minim de 0.07 si poate merge pana la 0.70 pentru expunere de zapada dar este doar de 0.20 pentru zapada in padure. Proprietatiile termice ale solului acoperit cu zapada depind doar de grosimea zapezii pe unitatea de suprafata. Grosimea zapezii evolueaza prin efectul combinat al caderii de zapada, evaporatiei si topirii.
Umezeala solului se imparte in rezervorul din pelicula de suprafata si din sol. Rezervorul din pelicula de suprafata (care este reprezentat majoritar de umezeala din vegetatie) evolueaza sub actiunea evaporatiei proprii si a capacitatii sale de a colecta roua si de a intercepta precipitatiile. Rezervorul din sol ia in considerare precipitatiile si zapada topita, precum si transferul vertical de apa datorat drenajului si capilaritatii, evaporatiei deasupra solului descoperit si preluarii prin radacini de catre vegetatie. Fractia de vegetatie este specificata in fiecare punct de retea si este folosita de model pentru a estima rugozitatea si evaporatia.
In lumina importantei interactiunii nori-radiatie in procesele de lunga durata (climatice) si de scurta durata (vreme), se pune un accent ridicat pe tratarea absorbtiei si dispersiei de catre nori a radiatiei solare si terestre. O parte semnificativa din timpul de calcul este dedicata schemei de radiatie, chiar daca sunt facute unele simplificari pentru a reduce costul, cum ar fi calcularea radiatiei doar la fiecare trei ore fata de fiecare pas de timp doar deasupra unui subset a punctelor de retea.
Spectrul rdiatiei este impartit in opt benzi de frecventa: doua in spectrul de unda scurta (direct de la Soare si radiatie difuza) si sase in spectrul de unda lunga (de la Pamant si din interiorul atmosferei). Radiatia difuzata in sus si in jos este calculata pentru fiecare din cele opt benzi spectrale. Parametrii care influenteaza emisia si absorbtia sunt presiunea, temperatura, umezeala, acoperirea cu nori si continutul de apa din nori. In plus, emisia si absorbtia sunt afectate de cantitatea prezenta de dioxid de carbon, ozon, methan, oxid de azot, CFC-11 si CFC12. Parametrii presupusi sunt concentratiile acestor gaze rare, constanta solara, distributia si proprietatiile optice ale aerosolilor si albedoul solului care este modificat in acord cu stratul de zapada.
Schema de radiatie este proiectata pentru a lua in socoteala interactiuniile nori-radiatie intr-o detaliere considerabila. Ea permite o acoperire partiala cu nori in orice strat al modelului. Pentru punctele de retea noroase calculele sunt facute atat pentru conditii de senin cat si de acoperit si cantitatea totala este ponderata in acord cu prognoza cantitatii de nori. Sunt luate in considerare efectele radiative ale diferitelor tipuri de aerosoli (cu substrat oceanic, continental, desertic, urban si stratosferic).
Scopul principal al schemei de nori este de a furniza initializarea pentru calculele de radiatie si pentru a calcula precipitatiile. Norii sunt generati de ascendenta la scara mare, convectia cumulus, turbulenta stratului limita si racirea radiativa. Ei se disipeaza prin evaporatia datorita descendentei la scara mare, subsidentei induse de cumulus, incalzirii radiative si turbulentei atat de la varf cat si de pe parti. Schema de nori trateaza procesele principale legate de nori intr-un mod consistent cu ecuatiile proprii de prognoza atat pentru fractia de nori cat si continutul de apa/gheata al norilor. Procesele norului sunt puternic cuplate cu alte procese parametrizate.
Fluxurile vericale de sub-retea de masa, caldura, vapori de apa si moment sunt calculate la fiecare nivel al modelului cu ajutorul unui model simplu de flux de masa care interactioneaza cu mediul sau. Schema se aplica convectiei care penetreaza, convectiei putin adanci si convectiei la nivel mediu. Ele sunt mutual exclusive, astfel ca doar cand schema esueaza sa creeze nori de un anume tip ea il incearca pe urmatorul. Convectia profunda apare predominant in situatii perturbate cu un strat gros de instabilitate conditionata si o convergenta a umezelii la scara mare. Fluxul de masa a curentilor descendenti se presupune a fi proportional cu fluxul de masa al curentilor ascendenti. Convectia putin adanca apare in curent neperturbat in absenta curentului convergent la scara mare. Sursa de umezeala este din evaporatia de la suprafata. Ea nu poate produce in mod normal precipitatii. Convectia de nivel mediu descrie celulele convective care provin de la nivelurile de deasupra stratului limita. Norii stratocumulus sunt legati de fluxul de umezeala a stratului limita produs de schema de difuzie verticala. Norii stratiformi ( de exemplu tipurile de norii stratus de nivel jos si nori nimbostratus de nicel mediu) sunt determinati de viteza cu care descreste saturatia umezelii specifice datorita miscarii verticale ascendente si racirii radiative. Procesele de evaporatie in legatura cu norii sunt socotite pe cateva cai: subsidenta la scara mare si indusa de cumulus si incalzirea radiativa, evaporatia la laturile norului datorita proceselor turbulente si miscarii turbulente la varful norului.
Procesele de precipitatii iau in socoteala nu numai continutul local de apa/gheata ci si alte diferite procese de dezvoltare a precipitatiilor precum si evaporarea precipitatiilor care cad. Sunt incluse cele doua mecanisme de generare a precipitatiilor - pentru precipitatiile convective si pentru cele stratiforme (frontale sau dinamice). In cazul precipitatiilor convective condensatul format in curentii ascendenti este apa la peste O0C, gheata sub
-230C si un amestec a celor doua in interval. Daca cantitatea de condensat depaseste valoarea care poate fi sustinuta de viteza verticala se formeaza precipitatii in forma de zapada sau apa. Cand apar precipitatii stratiforme apa din nori si gheta din schema de nori sunt convertite in precipitatii dependent de continutul apa/ghiata. Se presupune ca precipitatiile care cad se evapora in straturile nesaturate inainte de a atinge solul, un proces care ar putea reduce substantial precipitatiile care ating suprafata.
Circulatia atmosferei este modelata de contrastele dintre uscat si mare si de prezenta sirurilor de munti majori ai lumii, prin efectele de blocare asupra curentilor si prin atragerea de catre suprafata. Muntii au multe scale asociate cu vai si varfuri si nu este suficient sa fie reprezentati prin inaltimea lor medie. De fapt, reprezentarea orografiei foloseste orografia medie si patru campuri aditionale care descriu deviatia standard, orientarea, anizotropia si panta orografiei la sub-scara. Aceasta tine seama de variabilitatea orografiei, dar chiar asa, modelul de orografie este inca semnificativ mai neteda decat in realitate. Totusi, parametrizarea permite o reprezentare realistica a fortarii montane, care este importanta pentru creerea turbioanelor atmosferice la scara mare. O parte importanta a schemei este accea ca depinzand de criterii dinamice, se poate bloca curentul la nivel jos mai degraba decat a face aerul sa mearga deasupra orografiei. Cand aerul stratificat stabil traverseaza un brau montan sunt stimulate unde gravitationale. Dependent de stabilitatea verticala si de forfecarea verticala a vantului, undele gravitationale se pot propaga vertical pana cand au amplitudinea destul de mare pentru a sparge. Este inclusa o schema de tragere a undelor gravitationale pentru a reprezenta transportul de moment datorita undelor gravitationale de sub-retea, contribuind la formareamaximelor de blocaj si a depresiunilor cut-off.
Componente oceanice
Un model de circulatie generala oceanic rezolva in mod obisnuit ecuatiile momentului, energiei termice, ecuatia continuitatii, ecuatia hidrostaticii si ecuatia de stare. Se include de asemenea o ecuatie pentru salinitate dupa cum sarea are un efect important asupra densitatii. Oceanul este presupus in mod obisnuit ca fiind incompresibil, ceea ce permite sa fie facute cateva simplificari. Un model obisnuit are o rezolutie spatiala ridicata (~30km) in apropierea ecuatorului astfel ca el poate rezolva si da o reprezentare buna undelor ecuatoriale care sunt atat de importante in procese cum ar fi El Nino. Rezolutia zonala este de ordinul a 1-20. Rezolutia verticala este in mod obisnuit de 30 de niveluri verticale cu mai mult de 10 niveluri in interiorul celor mai de sus 200 m. Se foloseste o topografie a fundului realista. Spre deosebire de cazul atmosferei nu se folosesc in general coordonatele care urmaresc adancimea. De departe cel mai comun sistem de coordonate este adancimea (z), desi uneori este folosit un sistem hibrid care foloseste coordonatele izopicnice in profunzimea oceanului si coordonatele z in apropierea suprafetei.
La fel ca si in cazul atmosferic, modelele oceanice trebuie sa parametrizeze procesele de scala sub-retea. In unele privinte oceanul este un sistem mai simplu decat atmosfera, cu mai putine procese de parametrizat. Amestecul este un proces cheie. Amestecul orizontal este dat uzual de combinatia amestecului direct Laplace sau de amestecul biarmonic de ordin superior. Justificarea fizica pentru cel din urma este slaba, dar el are avantajul de a reduce amestecul cu exceptia scalelor mai mari. Variante a acestora includ amestecul dependent de curgere astfel incat acesta este mic exceptand acolo unde forfecarea sau fortarea sunt mari. Procesele de amestec vertical sunt reprezentate printr-un operator de difuzie a carui coeficienti sunt dependenti de numarul Richardson local. In plus, sunt folositi uni algoritmi pentru a estima adancimea stratului de amestec, in interiorul carora este un amestec dezvoltat (stratul de amestec oceanic este echivalentul stratului limita atmosferic). In final, modelele incorporeaza o parametrizare a convectiei care asigura conditiile de stabilitate intr-o coloana de ocean data.
Versiunile de inceput ale modelelor oceanice obtineau eficienta prin presupunerea ca oceanul are un capac rigid, astfel ca se exclud undele gravitationale rapide externe si permit pasi de timp mai lungi. Intr-adevar, unele modele mai folosesc aceasta aproximatie, totusi in prezent cele mai obisnuite sunt conditiile cu suprafata libera in care partea superiora a suprafetei poate urca sau cobori ca rezultat a inlocuiri apei reci de cea calda sau a celei sarate de cea proaspata.
Oceanul este fortat de transferul de moment intre atmosfera si ocean. In mod strict acestea ar trebui sa fie intermediul pentru generarea undelor de suprafata, dar de fapt se foloseste o formulare locala mult mai simpla pentru care vanturile din apropierea suprafetei genereaza un flux de moment care este trecut catre oceanul de deasupra local si direct. Fluxurile de caldura din modelul atmosferic (incalzire latenta, masurabila si unda lunga) sunt aplicate la suprafata. Incalzirea solara poate penetra in ocean cateva zeci de metri. Obisnuit transparenta apei este fixata, desi unele modele sunt capabile sa includa componenta biologica si sa prevada turbiditatea.
O problema care este mult mai acuta in modelarea oceanului decat in cea a atmosferei este plaja de scale energetice care sunt prezente si care sunt luate in calcul. Raza de deformare este mult mai mica in ocean decat in atmosfera, insemnand ca procesele energetice pot avea loc in ocean la scale de doar cativa kilometri, cum ar fi turbioanele la mezoscara (echivalentul sistemelor de vreme atmosferice) si curentii de frontiera. Aceste turbioane pot fi simulate explicit in modele construite cu un scop avand in minte aplicatii specifice, dar nu si in modele utilizate pentru procese climatice. In continuare, curentii de frontiera cum ar fi Kuroshivo si Curentul Golfului sunt slab solutionati in modelele climatice conducand la separari eronate de coasta, conducind frecvent la erori in interiorul circulatiei. Pentru rezolvarea corecta a acestor curenti si turbioane se cere o rezolutie de circa 5 km, care este departe de ce se poate obtine din modele climatice in viitorul apropiat. Efectele turbioanelor trebuie de aceea parametrizate.
O alta dificultate este aceea ce se stie ca circulatia oceanica are cateva puncte de soc importante. Unul dintre acestea este curentul dintre oceanele Pacific si Indian. In realitate canalele sunt inguste, mult mai inguste decat in rezolutia modelului. Pentru a depasi aceasta, modelele trebuie fie sa foloseasca un canal artificial de larg, care ar putea prin urmare sa permita transferuri incorecte de caldura si sare intre cele doua oceane sau sa creasca rezolutia in vecinatatea canalelor printr-o cartare a retelei. Curentul de varsare din marile Groenlandei/Norvegiei in Atlantic este o alta zona in care transferurile sunt in eroare. Multe modele nu iau nici o masura speciala pentru a incerca sa limiteze impactul unor asemenea deficiente asupra circulatiei; altele au incercat sa repare amplasamente specifice, desi acestea nu au fost inca folosite in integrarile climatice extinse.
O problema potentiala grava in folosirea modelelor cuplate pentru a calcula evolutia oceanului si a atmosferei este ca erorile in modele se pot acumula, dand crestere la ceea ce se numeste deriva modelului, adica, o tendintaa modelului de a evolua catre o stare nerealista. In sistemul ECMWF multe parti ale suprafetei oceanului se racoresc, in timp ce in putine locuri suprafata oceanului se incalzeste sistematic. Alte modele au diferite erori sistematice. Daca dimensiunea deviatiei este comparabila cu cea a semnalului modelului deviatia ar putea fi o problema serioasa daca nu este tratata intr-un mod oarecare. Se vor mentiona ca exemplu doua cai: corectie ulterioara cum uneori se foloseste in prognozele pe sezon si corectie a priori in formula corectiei fluxului, asa cum se foloseste uneori in scenarile de schimbare a climei.
Utilizarile modelelor cuplate sunt multe dar aici se vor considera numai doua: prognoza sezoniera si schimbarea climei. Prima se asociaza cu incercarea de a prevedea ceea ce se va intampla in urmatoarele cateva luni, cea din urma incercand sa prevada ce se va intampla in urmatoarele sute de ani. Ciudat, sau facut mai putine eforturi pentru a prevedea ce se va intampla in urmatorii 10 ani, astfel ca aceasta aplicatie este probabil sa creasca in viitor.
Nu este posibil sa se prevada in detaliu vremea de dupa cateva zile, nici nu este posibil sa se prevada exact vremea medie cu un sezon avans, dar este posibil sa se prevada valorile care sunt probabil sa apara. In anumite parti ale lumii si in anumite circumstante ar putea fi posibil sa se dea o plaje relativ ingusta in care sunt asteptate sa apara valorile de vreme si cum sa se schimbe acestea de la an la an. Unele prognoze asociate cu evenimente El Nino puternice cad in aceasta categorie. Cel mai caracteristic plajele probabile de vreme sunt doar usor glisate de la an la an. Unele regiuni tropicale au o cantitate moderata de semnal predictibil, in timp ce la latitudinile medii fluctuatiile vremii sunt in mod obisnuit mai mari decat componenta predictibila a vremii.
Motivul pentru care evolutia atmosferei nu este predictibila in sens deterministic la scala de timp sezoniera este acela ca mici incertitudini din conditiile initiale vor putea da intodeauna mari incertitudini in starea atmosferei dupa cateva zile. Deoarece atmosfera si sistemul climatic sunt haotice, tehnicile ansamblului sunt necesare dupa cum se repeta de multe ori calcule anticipative asupra sistemului ocean-atmosfera, cu diferente mici in conditiile initiale. Se considera apoi statistici generale ale predictiilor. Dimensiunea obisnuita a ansamblurilor este de circa 30, ceea ce este suficient pentru a da o estimare rezonabila a schimbarilor sezoniere in multe regiuni ale tropicelor. Un ansamblu mai mare este necesar pentru a solutiona semnalele mai slabe care adesea sunt prezente la latitudinile medii.
Asa cum s-a mentionat mai devreme, deviatia modelelor complet cuplate rezulta din erorile dintr-una sau din ambele componente. Este necesara o strategie pentru a trata deviatia modelului. In prognoza sezoniera, o strategie este de a initializa oceanul, atmosfera si suprafata terestra pentru a fi cat mai aproape posibil de realitate si sa se calculeze evolutia cu anticipare a sistemului cat de bine este posibil folosind aproximatii numerice ale legilor fizicii. Nu sunt introdusi termeni "artificiali" pentru a incerca sa se reduca deviatia modelului si nu sunt facuti pasi pentru a indeparta orice dezechilibre din starea initiala a modelului cuplat: se cupleaza simplu modelele impreuna si se incepe intergrarea spre inainte. Efectul deviatiei asupra calculelor modelului se estimeaza din integrari anterioare ale modelului in anii precedenti. Aceasta deviatie medie este indepartata din solutia modelului in timpul post-procesarii dinaintea editarii prognozei.
Evolutia atmosferei este influentata de un numar de factori care ei insisi prezinta variatii de la an la an. Cel mai important dintre acestia este oceanul, a carui temperatura la suprafata poate avea un impact substantial asupra atmosferei, in special la tropice, unde mici schimbari de temperatura pot provoca deplasari importante in pozitiile sistemelor de ploi tropicale. Desi oceanul este cel mai important factor in prognozele sezoniere el nu este singurul: schimbarile in umezeala solului si in invelisul de zapada de deasupra suprafetei terestre pot sa joace, de asemenea un rol. Este, de asemenea, posibil ca unele aspecte ale starii initiale ale atmosferei sa aiba de jucat o parte, desi aceasta nu este sigur. Impactul tuturor acestor factori asupra atmosferei poate fi descris tehnic ca o deviatie a unui atractor (haotic) a sistemului atmosferic, insemnand ca acesti factori influenteaza statisticile evolutiei atmosferice. Ei nu pot determina exact ceea ce se va intampla, dar ei au o influenta, de exemplu, pentru cantitatea de activitate a furtunilor care poate fi asteptata la un anumit loc pe durata unei anumite perioade de timp.
O aplicatie a modelelor cuplate la prognozarea sezoniera a lui El Nino este prezentata in Figura 3. Valoarea SST (temperaturii la suprafata marii) in Pacificul ecuatorial central estic (Nino-3) este prezentata, impreuna cu diverse prognoze startate la diferite momente (indicate prin culoare). Abilitatea prognozei este destul de buna, desi se pot vedea situatii in care fiecare membru al ansamblului subevalueaza cresterea SST. Modelele cuplate pot fi folosite pentru a estima corectitudinea cu care pot fi prevazute evenimentele El Nino, daca modelul ar fi specificat precis si conditiile initiale ar fi cunoscute precis. Pe baza estimarilor actuale, exista baze pentru optimism. O incertitudine majora in evolutia El Nino Oscilatia Sudica (ENSO) este rolul jucat de oscilatiile intrasezoniere, slab reprezentate in modelele actuale.
Nu exista in prezent aplicatii regulate de natura operationala pentru acest tip de probleme. Totusi, ar putea fi folosita aceasi strategie folosita pentru prevederile sezoniere pentru aceasta problema de la o scara de timp mai mare. Ar fi de dorit sa se aiba un model de gheata marina, desi chiar si pentru aceasta scala de timp ar putea sa nu fie esentiala. Conditiile initiale oceanice s-ar obtine ca si pentru prognozarea sezoniera folosind o combinatie a istoriei trecute a campurilor de fortare atmosferice si asimilarea de date oceanice. O evaluare pentru o astfel de situatie stiintifica si o justificare pentru o astfel de activitate este totusi in evolutie. In timp ce pentru prognozarea sezoniera dezvoltarile au fost deasupra Pacificului, pentru variabilitatea pe decenii s-a dat o mai mare atentie Atlanticului.
Utilizarea modelelor cuplate pentru a cuantifica climatul viitor datorita schimbarilor prescrise in gazele active radiativ reprezinta o activitate importanta pentru multe centre de modelare climatica din jurul lumii. Asa cum ansamblurile de prognoze sunt necesare pentru prevederile sezoniere si pe deceniu, la fel ele sunt necesare pentru prognozele schimbarilor globale. Din pacate fiecare grup de modelare efecueaza doar putine integrari. Combinarea prognozelor dupa mai multe modele ar trebui sa dea o masura a functiei de probabilitate de distributie pentru a acoperi incertitudinea din formularea modelului (atat in metodele de parametrizare cat si in dinamica). Fiecare model trebuie sa fie rulat cu un set de conditii initiale diferite care sa acopere incertitudinile in cunoasterea starii actuale a oceanului si pentru a reprezenta incertitudinile care rezulta din procesele haotice. Aceasta nu se face inca intr-un mod organizat, cat nu sunt inca disponibile resurse de calcul suficiente si puternice. La prognozele mai lungi rolul conducator ca importanta al conditiilor initiale se asteapta sa scada, mai putin decat ar produce o schimbare de stare majora, cum ar fi suprimarea circulatiei termohaline.
In ciuda limitarilor modelelor cuplate, ele raman singura cale de a face predictii cantitative asupra consecintelor schimbarilor proiectate pentru gazele cu efect de sera. In ultimii ani, cateva modele au atins un stadiu de dezvoltare unde nu se mai cere o corectie a fluxului pentru a elimina deviatia climatica. Totusi erorile sistematice se mentin. De exemplu, distributia norilor stratus deasupra oceanelor mai reci dinspre partea estica a oceanelor subtropicale nu este bine reprezentata in modele. Modelele nu pot simula in general corect momentul de inceput, destramare sau intensitatea musonului asiatic. Pana de curand se credea ca stratosfera ar juca un rol limitat in schimbarea climatica dar punctul de vedere este in schimbare. Ideea ca schimbarea climatica ar putea influenta frecventa de aparitie a modurilor de baza a variabilitatii a dat un implus mai mare verificarii abilitatii modelului de a reproduce tipul caracteristic preferat de variabilitate. Trei dintre acestea sunt ciclul El Nino/La Nina sau ENSO, structura tipica Pacificul de Nord Americana si Oscilatia Nord Atlantica. Cele mai bune modele reprezinta interactia ocean-atmosfera la tropice cu scale de timp in general corecte. Nu exista consens asupra schimbarii evenimentelor El Nino - daca vor deveni mai frecvente sau mai intense.
Un rezultat al schimbarii globale cu probabilitate redusa dar cu consecventa ridicata ar putea fi oprirea circulatiei termohaline in Atlantic. Cateva modele cuplate sugereaza ca circulatia termohalina ar putea sa se reduca in urmatoarele sute de ani, dar nici unul nu prevede colapsul sau. Oricum, circulatia termohalina este sensibila la procese care nu sunt bine repezentate in modele. Acestea includ in particular revarsarea din Marea Groenlandei/Norvegiei si intrarea de apa proaspata din atmosfera.
Desi modelarea cuplata a progresat considerabil, suntem departe de a avea modele bine validate care sa poata fi utilizate cu incredere in prognoza climatica. Scarile de timp diferite si mecanismele de feedback intre diverse procese fac calculele exrem de complexe si de costisitoare. Mecanismele pentru aceste procese sunt predominant perturbatii mai mici decat scalele pe care le rezolva explicit modelul, de la norii convectivi pana la pocesele moleculare. Efectele pe care aceste procese de scala sub-retea le au asupra scalelor mai mari pot fi calculate doar prin parametrizare, adica, formuland indirect efectul lor general in termenii unor variabile cunoscute la scara retelei. Totusi, cu cresterea puterii calculatoarelor si de asemenea cu interesul in crestere in problemele legate de climat nu sunt motive de a crede ca nu vor continua imbunatatirile rapide in prognozele climatice.
Vezi de asemenea
Straturi limita Modelarea si parametrizarea
Variabilitate climatica Variabilitate deceniala si seculara
Meteorologie dinamica Ecuatii primitive
El Nino si Oscilatia Sudica Teoria
Circulatia generala Modele
Schimbarea globala Impacte si reactii ale biosferei; Tendinte ale temperaturii suprafetei; Schimbari in atmosfera superioara
Meteorologie la mezoscara Modele
Modele numerice Modele chimice; Metode
Modele spectrale. Prevederea vremii Modele de prevedere regionala
Figura 1 Distributia verticala a nivelurilor in atmosfera (cu amabilitatea ECMWF)
Figura 2 Diagrama schematica a diferitelor procese fizice reprezentate in modelul atmosferic al ECMWF (cu amabilitatea ECMWF)
Figura 3 Prevederi sezoniere ale El Nino 1997-1998 (cu amabilitatea Institutului Max Planck, Hamburg, Germania si a ECMWF)
Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate
