Download ecuaciones de los modelos climáticos globales

Cursos de Verano de la Universidad de Cantabria
Proyección Regional de Escenarios de Cambio Climático. Técnicas y Proyectos en Curso
Suances, 23-27 Julio 2007
Los modelos climáticos globales
Manuel de Castro
ICAM-UCLM, Toledo
¿QUÉ SON LOS MODELOS CLIMÁTICOS GLOBALES?
Son simuladores del sistema climático ...
SISTEMA CLIMÁTICO
ATMÓSFERA
HIDROSFERA
CRIOSFERA
BIOSFERA
LITOSFERA
... mediante la resolución de las ecuaciones de las leyes y principios
de la Física que gobiernan los procesos en cada componente del
sistema y los intercambios de energía y masa entre sí.
MCGC: Modelos del Clima Global con aCoplamiento
ECUACIONES
DE LOS MODELOS
CLIMÁTICOS
Componentes
de
unMCGC
ESMGLOBALES
Componentes
de
un
Componentes de un ESM
Ecuaciones de evolución
de variables de predicción
Ecuaciones para resolver
efectos de procesos subrejilla
Ecuaciones para resolver
procesos de intercambio
ATMÓSFERA
Ecuación
termodinámica
Ecuaciones de
movimiento
Parametrización
transf. radiativa
Parametrización
turbulencia
Calor
sensible
Evaporación
Radiación
Precipitación
Ecuación
termodinámica
Ecuaciones de
movimiento
Parametrización
turbulencia
Ecuación
continuidad
Arrastre
viento
Geo química
OCÉANO
Parametrización
nubes y precip.
GEIs
Ecuación
continuidad
Ecuación
consv. agua
Ecuación
sal
Hielo
oceánico
Ecuación
de estado
Química
atmosférica
Calor
sensible
Evaporación
Radiación
Precipitación
Ecuación
termodinámica
Hielo
contin.
Ecuación
hidrológica
Vegetación
CONTINENTE
SISTEMAS DE ECUACIONES DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS
¿CÓMO SE RESUELVEN LAS ECUACIONES?
Aproximaciones ∂V
∂V
=m
numéricas:
∂t
∂s
Discretizando la
variación espacial en
celdillas 3D(Δx, Δy, Δp)
ΔV
⇒ ΔV ≅ Δt ⋅ m
Δs
Discretizando la evolución
temporal en intervalos finitos (Δt)
Valores de
variables
en la celdilla
(i, j, k)
Viento (u, v)
Temperatura (T)
Presión (p)
Humedad (q)
...
en el inicio de la
simulación (t0)
~ 300 × 300 km atmosf.
~ 100 × 100 km océano
⇒ V (t + Δt ) = V (t ) + ΔV
Valores de
variables
en la celdilla
(i, j, k)
Viento (u, v)
Temperatura (T)
Presión (p)
Humedad (q)
...
en un instante
posterior (t0+Δt)
... y así se continua avanzando en pasos
de tiempo Δt hasta completar el periodo
de tiempo de simulación ( ≈ 250 años)
Aumentar la resolución espacial requiere incrementar la resolución temporal
PARAMETRIZACIONES
Las ecuaciones numéricas sólo pueden resolver
adecuadamente los procesos meteorológicos cuyo
tamaño sea mayor al de las celdillas del modelo
Los efectos de estos procesos atmosféricos de escala
“subrejilla” deben ser deducidos a partir de variables
pronosticadas por el modelo (T, q, p, r, ...)
¿POR QUÉ SE DEBEN UTILIZAR SUPERORDENADORES?
Cálculo necesario para realizar una simulación
climática global de 250 años con un MCGC actual
(resolución : ~ 300 x 300 km atmosf., ~ 100 x 100 km océano)
Discretización espacial : ∼ 3 · 105 celdillas
Discretización temporal : Δt ≈ 1800 s
Número de iteraciones : ∼ 5 · 106
Número de variables de predicción : ∼ 10
Número de ecuaciones a resolver : ∼ 1013
Cada ecuación tiene varios términos : ∼ 10
Resolver cada término requiere muchos cálculos ∼ 102
Las parametrizaciones necesitan ∼ 10 veces más de cálculo
Número de operaciones matemáticas simples: ∼ 1018
Para ejecutar ∼ 1018 flop en aprox. 2 meses Î ∼ 1 Tflops
Modelos climáticos globales en el AR4-IPCC
¿CÓMO SE EJECUTAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS?
SPIN-UP
SPIN-UP y CONTROL
PERIODO de EVALUACION
ESCENARIOS
Simulación de cientos de
años con [CO2] = 280 ppmV
constante hasta que océano
-atmósfera-hielo se acoplan
(SPIN-UP). Una simulación
continua así hasta el año
2100
(CONTROL)
para
examinar la variabilidad
interna del modelo
Otra simulación de 1860 a 2000
con el incremento observado de
GEIs y sulfatos para evaluar la
capacidad del modelo de reproducir la tendencia observada de
la temperatura global. El “clima
actual” (1960-90) se toma como
referencia para derivar escenarios de cambio climatico.
Simulaciones desde 2000
suponiendo diversas evoluciones de emisiones de
GEIs y sulfatos. Para
construir los escenarios
se calcula la diferencia
entre la simulación de
“clima actual” y la de
cualquier periodo futuro.
¿CÓMO SE EVALÚAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS?
Comparación entre resultados de simulaciones con condiciones
de clima pasado (1900-99) y observaciones climatológicas
Sensibilidad en la respuesta del modelo cuando se alteran ciertas
suposiciones clave
Simulación de condiciones paleoclimáticas (eras glaciales e interglaciales)
EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS
Comparación entre resultados de simulaciones con condiciones
de clima pasado (1900-2005) y observaciones climatológicas
Simulaciones
vs.
observación
Evolución de
la temperatura
media global
(anomalías
respecto al
promedio de
1901-1950)
© IPCC 2007: WG1-AR4
EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS
Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos
www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php
Temperatura media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales
Climatología (referencia) y promedio de 11 MCGC (media modelos)
EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS
Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos
www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php
Temperatura media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales. Climatología
(referencia) y diferencia con promedio de 11 MCGC (media modelos - referencia)
EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS
Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos
www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php
Precipitación media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales
Climatología (referencia) y promedio de 11 MCGC (media modelos)
EVALUACIÓN DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS
Programa para el Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos
www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php
Precipitación media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales. Climatología
(referencia) y diferencia con promedio de 11 MCGC (media modelos - referencia)
¿PARA QUÉ SE APLICAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS?
Atribución
¿Qué responsabilidad tienen las actividades
humanas en el cambio climático observado?
Sensibilidad
¿Cómo responde el sistema climático global a
diversos forzamientos?
Escenarios
¿Cómo podría cambiar el clima futuro a causa
de actividades humanas?
Mitigación
¿Qué actuaciones serían “razonables” para
mitigar la alteración global del clima?
Impacto
¿Qué impactos regionales provocaría el
proyectado cambio de clima?
LA ATRIBUCIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO
Simulaciones de modelos climáticos
con forzamientos naturales + antropogénicos
Simulaciones
vs.
observación
58 simulaciones
con 14 modelos
Evolución de
la temperatura
media global
Observaciones
(anomalías
respecto al
promedio de
1901-1950)
Promedio de todas
las simulaciones
Sólo con forzamientos naturales
58 simulaciones
con 14 modelos
Promedio de todas
las simulaciones
Observaciones
© IPCC 2007: WG1-AR4
LA ATRIBUCIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Los modelos son capaces de simular con una fiabilidad razonable la evolución futura del clima,
forzados por diversos escenarios de emisiones (hipótesis sobre cuanta cantidad de GEIs podrían
seguir emitiendo las actividades humanas en el futuro, según criterios socio-económicos)
Escenarios de emisiones
(IPCC-SRES)
http://sres.ciesin.org/sres/
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Los modelos son capaces de simular con una fiabilidad razonable la evolución futura del clima,
forzados por diversos escenarios de emisiones (hipótesis sobre cuanta cantidad de GEIs podrían
seguir emitiendo las actividades humanas en el futuro, según criterios socio-económicos)
© IPCC 2007: WG1-AR4
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
© IPCC 2007: WG1-AR4
Promedios multi-modelo de cambio de temperatura media
anual respecto a 1980-1999 en escenarios B1, A1B y A2
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Promedios multi-modelo de cambios estacionales en 2080-2099
respecto a 1980-1999 en escenario A1B
Temperatura
DJF
DJF
DJF
JJA
JJA
JJA
Precipitación
© IPCC 2007: WG1-AR4
Presión superf.
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Promedios multi-modelo de cambios de eventos extremos en
2080-2099 respecto a 1980-1999 en escenario A1B
© IPCC 2007: WG1-AR4
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Incertidumbres
ΔT
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Incertidumbres
DJF
precipitation
change (%)
2080’s
minus
Present Day
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Incertidumbres
9 Condiciones iniciales (sistema “caótico”)
de procesos “clave” en los
9 Representacion
modelos (aproximaciones numéricas,
parametrizaciones, comprensión física)
9 Resolucion espacial de los modelos globales
9 Emisiones antropogénicas futuras (GEI + SUL)
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Incertidumbres
Concepto clave:
Más coincidencia
entre resultados
“Ensemble” de
modelos
Menos incertidumbre
en las proyecciones
Escenarios
probabilistas
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Escenarios probabilistas de
cambio climático
Probabilidades de que en el escenario A1B la temperatura
superficial en 2080-2099 exceda en 2ºC a la de 1980-1999
© IPCC 2007: WG1-AR4
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Escenarios probabilistas de
cambio climático
Probabilidades de cambios en función del porcentaje de
simulaciones cuyos resultados coinciden
© IPCC 2007: WG1-AR4
ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO
Incertidumbre
Evaluación de riesgo
Riesgo = probabilidad × consecuencia
“Ensemble”
modelos
climáticos
Criterios
políticos
Mitigación
Los
escenarios
cambio climático deben
Evaluación
dede
riesgo
generarse utilizando un conjunto
de
Adaptación
simulaciones realizadas por diversos modelos
MITIGACIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO
¿Cuánto y cuando habría que reducir las emisiones de GEIs para que el
calentamiento global no sobrepase un determinado umbral a final de siglo?
¿Se podría esperar al segundo tercio de
siglo para reducir las emisiones de GEIs?
pdf de los cambios de T global simulados
por un conjunto de AOGCM
Escenario B1
Escenario A1B
Escenario A2
PROBLEMA
Han de pasar muchos años para que una reducción en las
emisiones de algunos GEIs se traduzca en una disminución
de su concentración media en el aire
Cambios relativos de la concentración de CO2 en el
caso de que sus emisiones se redujeran ciertos % a
partir del año 2000 y se estabilizaran en tales valores
IMPACTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO
Por su baja resolución espacial, los escenarios de
cambio climático de los modelos globales no deben
aplicarse directamente para evaluar impactos a
escala “regional” (IPCC, 2001).
Regionalización de resultados
de modelos globales
“Downscaling”
estadísticos
Modelos
climáticos
regionales
Consideraciones finales
Los modelos climáticos se basan en la resolución de
ecuaciones matemáticas que describen la física de los
procesos fundamentales que determinan el clima
Los resultados de las simulaciones de clima se asemejan
razonablemente a los valores climatológicos
Los modelos ofrecen confianza sobre su capacidad para
simular escenarios de clima futuros
Hay incertidumbres porque los modelos son representaciones
aproximadas de la realidad
Se deben cuantificar las incertidumbres usando un conjunto
de simulaciones con uno o varios modelos
Para evaluar los impactos inducidos por el cambio climático se
deben aplicar técnicas de regionalización a los resultados de
los modelos globales