Circulatia generala a atmosferei

Introducere

Circulatia generala a atmosferei se refera la miscarea atmosferica la scala planetara mediata în timp, reprezentând evolutia sa statistica pe termen lung. Modelele de circulatie generala (GCM) sunt modele numerice care simuleaza evolutia, întretinerea si variatiile circulatiei generale a atmosferei. Un model numeric comprehensiv al atmosferei poate fi folosit atât ca GCM sau ca model numeric de predictie a vremii (NWP)  extins. Dependenta solutiei de conditiile initiale nu este dezvoltata în mod obisnuit în aplicatiile GCM, cum ar fi simularile climatice sau predictiile climatice de speta a doua, în timp ce ea este de o importanta cruciala în aplicatiile NWP, sau în predictii climatice de speta întâi.

Istoria de început a modelarii circulatiei generale

Istoria de început a GCM este greu de distins de cea a NWP. V. Bjerknes a sustinut prima data idea NWP la începutul secolului 20. Aceasta a motivat pionieratul, desi fara succes, încercat de L.F. Richardson în 1929. Istoria moderna a GCM a urmat, oricum, o cale destul de diferita, care poate fi împartita într-o faza de preludiu si înca alte trei (vezi Figura 1). Preludiul a culminat la sfânsitul anilor 1940 printr-o dezvoltare rapida a teoriilor cuasi-geostrofice ale miscarilor atmosferice la scara mare.

Faza I a început în 1950 când Charney, Fjørtoft si von Neumann au obtinut prognoze reusite pe 24 ore ale înaltimii de geopotential de 500 hPa folosind ecuatia vorticitatii cuasi-geostrofice bidimensionale. Acest succes a demonstrat relevanta unui model dinamic simplu pentru schimbarile zilnice ale vremii si meteorologia dinamica si meteorologia sinoptica au început sa fuzioneze. Un alt eveniment care a facut epoca în faza I a fost recunoasterea ca dinamica „ciclonilor” si cea a „circulatiei generale” sunt strâns legate, cum s-a subliniat prin experimentul numeric realizat în 1956 de Philips folosind un model cu doua niveluri cuasi-geostrofic cu încalzire prescrisa. În acest experiment componentele la scala mare a perturbatiei initiale aleatoare au crescut ca rezultat al instabilitatii barocline, modificnd circulatia generala de la un regim zonal simetric la un regim de unda. Corespunzator, circulatia meridionala mediata zonal la latitudinile medii s-a transformat din tipul Hadley în tipul Ferrel, producând la suprafata latitudinilor medii curentii de vest. În acest fel, experimentul a surprins caracteristica fundamentala a circulatiei generale a atmosferei observate, a carei cauza a fost mai mult sau mai putin subiect de speculatie.

Începutul fazei II a modelarii circulatiei generale corespunde în mare dezvoltarii GCM de început, incluzând pe cele ale Laboratorului Dinamicii Fluidului Geofizic (GFDL), Universitatii Californiei din Los Angeles (UCLA), Laboratorului National Lawrence Livermore (LLNL) si Centrului National pentru Cercetari Atmosferice (NCAR). Schimbarile majore de la faza I la faza II  sunt listate mai jos.

• Utilizarea ecuatiilor primitive (adica, ecuatiile guvernatoare fara aproximatii cuasi-geostrofice sau altele asemanatoare privind echilibrul între câmpurile de masa si viteza) au devenit standard.
• Au fost depasite în fond dificultatiile de calcul asociate cu utilizarea ecuatiilor primitive si integrarea lor pe termen lung.
• Încalzirea a fost produsa ca rezultat al miscarii, precum si cauza a miscarii, includerea raportului de amestec al vaporilor de apa ca o variabila prognostica standard.

Modele la mezoscara

Modele de predictie numerica a Modele regionale NWP

vremii Modele globale NWP

Modele de circulatie                                                          GCM culpate ocean-

generala                                                                                atmosfera

1950     1960 1970 1980 1990 2000 2010

Preludiu I II III

Figura 1-861 O diagrama care prezinta istoria (si viitorul apropiat) al modelarii numerice a atmosferei

Procese dinamice                                                               Procese hidrologice

la scara mare   la scara mare

Procese în nor

Procese în                                                                             Procese de

stratul limita                                                                        radiatie si chimice

Precipitatii

Procese oceanice si terestre

Figura 2-862 Procese de baza în sistemul climatic si interactiile lor

Dezvoltarea acestor GCM de început au stimulat comunitatea meteorologica sa priveasca catre un experiment fezabil de observatii globale si analiza. Programul de Cercetare Atmosferica Globala (GARP) a urmat la o scara fara precedent în stiintele atmosferice. GARP a stimulat si sustinut colosal eforturile globale de modelare a circulatiei generale cam pe parcursul fazei II.

Scala planetara

Scala sinoptica

Mezoscala

Convectie profunda

Convectie putin adânca

Turbioane mari Turbulenta

Subordin inertial Subordin vâscos

10⁴km 10³km 10²km10 km1km 10²m 1m 1cm 1mm

Figura 3 Scale orizontale de miscari atmosferice tipice.

Scopul modelarii circulatiei generale

Principala sursa de energie pentru circulatia generala este radiatia solara, care influenteaza atmosfera în primul rând prin încalzirea suprafetei Pamântului. Diferitele componente ale caldurii din atmosfera (si din sistemul climatic) sunt produse de interactiile complexe între procese aratate în Figura 2. (Aici scara mare înseamna scale mai mari decât scalele convectiei si turbulentei si procesele dinamice includ procesele termodinamice adiabatice asociate). Scalele orizontale ale diferitelor fenomene atmosferice sunt prezentate în Figura 3. (Aici sageata indica scala cea mai mica care este rezolvata explicit de GCM contemporane tipice). Desi exista o tendinta de a folosi rezolutii mai ridicate pe masura ce tehnologia calculatoarelor progreseaza (sageata întrerupta în Figura 3), efectele colective ale proceselor nesolutionate nu pot fi neglijate si prin urmare ele trebuie sa fie formulate în termenii variabilelor prognostice la scala rezolvabila. Aceasta este „problema parametrizarii” care reprezinta o componenta esentiala a modelarii circulatiei generale.

Aproximatii de baza si conditiile pe frontiera superioara si inferioara

Cele mai multe GCM folosesc „aproximatia cuasi-statica”, în care ecuatia hidrostatica înlocuieste componenta verticala a ecuatiei momentului si fortele Coriolis si metrice care depind de viteza verticala sunt neglijate în componenta orizontala a acestei ecuatii. Aproximatia elimina undele sonore care se propaga vertical dar au un efect mic asupra miscarilor cuasi-orizontale. Ea este de asemenea justificabila pentru undele gravitationale interne când scala orizontala a miscarii este destul de mare (sa zicem >15 km pentru o stabilitate statica tipica). În ecuatiile primitive, aproximatia cuasi-statica este singura simplificare majora asupra dinamicii.

Când partea superioara a modelului corespunde partii superioare a atmosferei, este rezonabil sa se presupuna ca nu este flux de masa care sa traverseze frontiera superioara. Cu toate acestea, aceasta conditie ar putea fi artificiala, chiar atunci când frontiera superioara este plasata formal la partea superioara a atmosferei, deoarece în practica modelele discrete nu au o rezolutie verticala suficienta pe întregul parcurs pâna la infinit. În present nu este disponibila nici o cale pe deplin justificabila de tratare a frontierei superioare în modelele discrete nelineare.

Conditia la frontiera inferioara este o reglementare ca suprafata Pamântului este o suprafata materiala. Totusi, pentru un model discret orizontal înaltimea efectiva a suprafetei care se foloseste în conditia de frontiera inferioara poate fi mai înalta decât înaltimea reala mediata deasupra ochiului de retea în functie de varianta înaltimii orografice de subretea. Consideratii de acest tip conduc la idea de “înfasuratoare orografica”. În cele mai multe aplicatii de GCM de pe parcursul fazei II, a fost prescrisa distributia geografica a temperaturii apei marii (SST).

Discretizarea ecuatiilor conducatoare

Modelara circulatiei generale necesita, de asemenea, discretizarea ecuatiilor conducatoare prin care ecuatiile diferentiale partiale originale sunt înlocuite de un numar finit de ecuatii algebrice. Experienta arata ca aceasta discretizare poate distorsiona serios anumite aspecte dinamice ale sistemului continuu chiar atunci când este folosita o rezolutie rezonabila. Acest aspect este deosebit de important pentru integrarile pe termen lung a ecuatiilor conducatoare.

Terminologia de baza

Când se foloseste expresia Euleriana a derivatei temporale substantiale (D/Dt=∂/∂t+ V.nabla), discretizarea se face în spatiu si timp. Discretizarea spatiala poate fi facuta fie prin metode cu diferente finite fie cu metode spectrale. În metodele cu diferente finite (sau ‘în puncte de retea’, operatorii diferentiali din ecuatii sunt înlocuiti prin operatori cu diferente. În metodele spectrale, variabila dependenta este înlocuita printr-o functie exprimata printr-o serie finita cu functii de baza globale.

GCM utilizeaza în general atât metoda diferentelor finite cât si metoda spectrala bazata pe armonice sferice pentru discretizarea orizontala si metoda diferentelor finite pentru discretizarea pe verticala si în timp. Metodele spectrale sunt combinate în mod obisnuit cu metoda transformatei, în care produse în termeni nelineari sunt calculate în puncte de retea mai curând în spatiul fizic decât ca interactii de unde.

Daca variabilele la un nou nivel de timp apar nu numai în derivatele de timp diferentiate finit, schema este implicita; altfel ea este explicita. Schemele semi-implicite, în care expresiile implicite sunt folosite în termeni alesi din ecuatiile prognostice, cum ar fi forta gradientului de presiune din ecuatia momentului orizontal, sunt folosite adesea pentru a permite intervale de timp mai lungi cu mentinerea concomitenta a stabilitatii de calcul. O schema semi-implicita este folosita aproape întodeauna în metoda spectrala.

Metoda semi-Lagrangiana devine tot mai familiara pentru termenii de advectie din ecuatiile dinamicii. Înlaturarea restrictiei asupra intervalului de timp, caracteristica pentru schemele de diferentiere explicite, este motivatia majora a abordarii Lagrangiane. Schemele semi-Lagrangiane considera traiectorii ale caror puncte de sosire coincid cu punctele de retea. Aceste scheme sunt combinate în general cu metoda semi-implicita.

Cordonatele verticale si retelele

Alegerea coordonatei verticale poate face diferente esentiale într-un sistem discret. Cele mai multe GCM folosesc coordonata σ (σ este presiunea împartita la presiunea la suprafata) sau coordonata hibrida σ-p, unde p este presiunea. Conditia pe frontiera inferioara este simpla cu o coordonata de acest tip, deoarece suprafata Pamântului este o suprafata a coordonatei (σ =1). Cu toate acestea, gradientul de presiune consta din suma a doi termeni cu marimi comparabile si semne opuse deasupra unei topografii în panta. De aceea erorile de discretizare pot sa fie importante în suma chiar atunci când ele sunt mici în termenii individuali.

Reteaua verticala utilizata cel mai obisnuit pentru modelele cu ecuatii primitive este reteaua Lorenz, prezentata în Figura 4A pentru coordonata σ. Cu aceasta retea, atmosfera model este împartita în substraturi si ‘viteza verticala’ a coordonatei (σ punct≡D σ/Dt) este definita la interfetele dintre substraturi. Ecuatiile de bilant pentru masa si pentru variabilele tridimensionale, precum viteza orizontala v si temperature potentiala θ sunt aplicate în cazul acesta la substraturi.

Figura 4-864 Retelele verticale Lorentz (A) si Charney-Philips (B) cu coordonata σ.

De aceea reteaua Lorenz este convenabila pentru pastra în vedere bilanturile variabilelor tridimensionale. Cu toate acestea exista un mod de calcul în structura verticala a lui θ. Aceasta problema nu exista în reteaua Charney-Philips, prezentata în Figura 4 B, care prevede θ la interfetele unde σ punct este definita.

Cele mai multe GCM folosesc sistemul de diferente finite Eulerian pe verticala. Asa cum pentru diferentierea finita orizontala, diferentierea finita semi-Lagrangiana a devenit obisnuita pentru advectia verticala. Numarul nivelurilor verticale în GCM actuale variaza în mare între 30 si 60.

Coordonate si retele orizontale

Cele mai multe GCM folosesc retelele longitudine-latitudine bazate pe coordonate sferice. Metodele cu diferente finite bazate pe astfel de retele, totusi, au de a face cu ‚problema polului’ dupa cum meridianele converg în apropierea polilor. Exista solutii pentru aceasta problema, dar nici una nu este pe deplin satisfacatoare. Metodele spectrale bazate pe armonice sferice evita aceasta problema, dar au dificultati în advectarea unor scalari definiti ca variabile strict pozitive cum ar fi umezeala. Astfel, multe GCM care au fost initial spectrale au evoluat în modele hibride în care procesele advective sunt reprezentate folosind metodele diferentelor finite. Când este folosita reteaua sferica cuasi-uniforma ‚geodezica’ generata din icosaedre sau alte solide Platonice, problema polului nu exista.

Conceptual, simularea curgerii atmosferice la scara mare necesita o simulare potrivita a adaptarii geostrofice la dispersia undelor inertiale-gravitationale si la curgerea care se schimba lent dupa ce are loc adaptarea geostrofica. Simularea adaptarii geostrofice poate fi major afectata de alegerea structurii retelei orizontale prin proprietatiile de dispersie diferite ale undelor inertial-gravitationale în sistemele discrete. Figura 5 prezinta câteva structuri de retea pentru ecuatiile apei putin adânci, unde h este înaltimea suprafetei libere si u si v sunt componentele vitezei orizontale. Grupul ales de la Reteaua A pâna la Reteaua E cu h înlocuit printr-o variabila prognostica scalara este folosit adesea pentru descrierea structurii de retea orizontala a GCM. Proiectia calculelor pentru curgerea care se schimba lent este de asemenea importanta în efecturea integrarilor pe termen lung a ecuatiilor de baza. Aici, evitarea productiei nefizice excesive sau disiparea functiilor cuadratice ale variabilelor prognostice au fost gasite a fi eficiente.

Rezolutile orizontale ale GCM actuale variaza larg în acord cu aplicatiile ce sunt intentionate. Dimensiunile de retea utilizate pentru simularile climatice cu rezolutie coborâta sunt în jur de 400 km, în timp ce dimensiunea retelei pentru predictia vremii poate fi cu un ordin de marime mai mica.

Figura 5-865 Distributia variabilelor dependente pe retele orizontale de la (A) la (E): u si v sunt componentele vitezei zonala si respectiv meridianala, iar h este înaltimea suprafetei libere.

Parametrizarea proceselor fizice

GCM contin formulari a celor mai multe sau a tuturor proceselor fizice prezentate în Figura 2; calitatea simularilor depinde esential de aceste formulari.

Radiatia

Încalzirea radiativa neta se obtine din parametrizarea transferului radiativ prin radiatia solara în vizibil si infrarosu si racirea prin radiatia terestra de unda lunga. Calculele sunt facute în mod obisnuit pentru conditii de senin si noros.

Pentru radiatia solara, calculul absorbtiei necesita considerarea tuturor linilor de absorbtie a constituentiilor atmosferici în fiecare punct al retelei. Deoarece aceasta este prea pretentios, metodele folosite se bazeaza pe relatii functionale pentru absorbtia în intervale spectrale destul de largi. Trebuie sa fie considerata împrastierea radiatiei solare. O abordare pentru a include împrastierea este de a presupune ca radiatia poate fi împartita în curenti de energie radianta ascendenti si descendenti (metoda celor ‚doi curenti’). Pentru radiatia de unda lunga principalele gaze considerate sunt H₂O si CO₂. Alte gaze importante sunt O₃, CH₄, N₂O si CFC (cloroflorcarbonii). Calculele se efectueaza de asemenea prin modele de banda.

Calculele radiatiei necesita specificarea fractiei de acoperire cu nori în interiorul fiecarui ochi de retea. Aceasta este una din incertitudinile majore ale GCM actuale.

Formularea proceselor stratului limita planetar (PBL)

Practica standard în modelele numerice ale atmosferei este de a calcula fluxurile la suprafata folosind metoda aerodinamica a volumului. Teoria similitudini Monin-Obukov a stratului de la suprafata arata ca coeficientii de transfer depind de lungimea de rugozitate a suprafetei si de numarul lui Richardson a volumului de la suprafata.

Cu toate acestea, în vederea rezolutiei verticale din GCM, valorile din stratul de la suprafata sunt necunoscute si trebuie determinate diagnostic din valorile prognozate de deasupra. Diferentele principale între diferitele parametrizari ale PBL pentru GCM apar în modul de reprezentare a reprezentarii proceselor PBL deasupra stratului de la suprafata. Recent, a primit o larga recunoastere importanta reprezentarii efectelor nelocale (verticale) ale turbulentei PBL. Cu toate acestea, procesele esentiale pentru un PBL acoperit de nor sunt incluse doar în putine GCM.

Adaptarea convectiva uscata

Daca rata de scadere a temperaturii depaseste scaderea adiabatica uscata (∂θ/∂z este negativa), atmosfera este instabila convectiv uscat si se va dezvolta o convectie (uscata) la scara mica. În cele mai multe GCM acest proces este parametrizat ca o adaptare instantanee a profilului vertical instabil a lui θ la un profil neutru.

Procesele de condensare

Cele mai multe GCM includ condensarea la scala retelei ca o adaptare la starea saturata atunci când raportul de amestec al vaporilor de apa într-un punct de retea tinde sa devina suprasaturat.

Daca rata de scadere a temperaturii depaseste suficient rata de scadere pe adiabata umeda si daca umezeala relativa este suficient de ridicata, convectia cumulus la scala mica se asteapta sa se dezvolte. Formularea efectului colectiv al unei asemenea convectii cumulus, care nu este solutionata de retelele obisnuite ale GCM în termenii variabilelor prognostice la scala de rezolvare se numeste parametrizare cumulus.

Figura 6-866 Probleme importante în modelarea proceselor norului pentru parametrizarea cumulus.

Exista scheme în care efectele cumulus sunt formulate direct folosind convergenta de la nivel inferior la scara mare ca mecanism de fortare. Totusi, se folosesc în mod obisnuit un numar crescator de parametrizari cumulus, care formuleaza efectul proceselor umezeala-convectie asupra câmpurilor la scala mare ca adaptare cumulus si identificarea  corespunzatoare, daca este necesar, ce procese la scara mare controleaza convectia cumulus fata de adaptare (fortarea de scara mare). Aceasta se face tipic ca o combinatie de model de ansamblu de nori si o presupunere asupra starilor de cuasi-echilibru. Aceste stari pot fi considerate ca neutre sau stari instabile marginal din punctul de vedere al instabilitatii convectiv-umede.

Exista înca un numar de incertitudini în formularea proceselor noroase pentru parametrizarile cumulus, asa cum se ilustreaza cu semne de întrebare în Figura 6.

Parametrizarea câmpurilor de nori

Cuplarea între procesele radiative si dinamico-hidrologice prin nebulozitatea dependenta de timp a fost fie complet neglijata fie modelata foarte grosier chiar si în cele mai comprehensive GCM. Aceasta reprezinta incertitudinea principala în rolul reactiei de raspuns a norilor în schimbarea climatica.

Metoda standard pentru determinarea fractiei de nebulozitate dependenta de timp se bazeaza pe o relatie empirica, diagnostica între valorile sale si umezeala relativa. Cu toate acestea, chiar când aceasta abordare este aplicabila, predictia umezelii relative medii nu poate fi facuta fara a considera procesele noroase la sub-scara retelei. O determinare mai fizica a efectelor norilor asupra radiatiei implica urmatoarele probleme:

1. Determinarea cantitatii totale de apa/gheata într-o cutie de retea.
2. Determinarea geometriei norului, incluzând variatia apei/ghetii norului în interiorul unei cutii a retelei.
3. Determinarea proprietatiilor radiative ale norilor.

Un numar de GCM în crestere folosesc o abordare ‚partial prognostica’ pentru (1), în care fractia de amestec apa/gheata medie din nor se prevede cu o ecuatie de advectie cu microfizica parametrizata. În unele GCM a început sa fie folosita o schema‚ complet prognostica’, care prevede nebulozitatea prin includerea explicita a proceselor de generare a norilor care implica (1), (2) si (3).

Unde gravitationale orografice la scala de sub-retea

Undele gravitationale interne fortate de ororgrafia de scala sub-retea pot produce o atragere catre suprafata. Cu toate acestea, în apropierea suprafetei efectul de decelerare face ca aceasta atractie sa fie compensata prin convergenta transportului de moment în jos de catre unde. Astfel decelerarea reala poate avea loc la distanta la nivele mai înalte unde are loc distrugerea undei. Cele mai actuale GCM includ o parametrizare a acestui efect produs de undele gravitationale orografice de scala sub-retea.

Modele ale suprafetei terestre

În modelele de suprafata terestra cele mai simple (si cele mai de la început), folosite în GCM, conditiile de umezeala sunt prescrise. Acestea pot produce câmpuri de evaporatie medie rezonabile, dar fac imposibile interactiile uscat-atmosfera. Cel mai simplu model de suprafata terestra interactiv este asa numitul model ‚galeata’, în care nivelul apei într-un rezervor al umezelii solului creste datorita precipitatiilor si descreste datorita evaporatiei (si scurgerii).

Modele mai recente dau vegetatiei un rol mai direct în determinarea bilantului de energie si apa a suprafetei, în particular prin permisiunea ca conductanta stomatelor (si astfel eficienta evaporatiei) sa scada ca raspuns la un stress de mediu crescut. Tendinte actuale includ reprezentari explicite ale eterogenitatii spatiale în caracteristicile suprafetei în interiorul unui element de suprafata.

Procese microfizice

Multe GCM au incorporat recent parametrizari ale proceselor microfizice. Acestea includ cresterea prin condensare a picaturilor norului; cresterea prin depunere a cristalelor de gheata; înghetarea omogena, heterogena si prin contact a picaturilor norului; autoconversia picaturilor norului. Ele includ de asemenea agregarea cristalelor de gheata; scaderea ghetii noroase si picaturilor noroase prin zapada si a picaturilor noroase prin ploaie; evaporarea apei norului si ploaia; sublimarea ghetii noroase si zapada; topirea ghetii noroase si zapezii.

Procese chimice

Încercarile initiale de a combina GCM si modelele de procese chimice atmosferice au urmat o abordare ‚off-line’, în care câmpurile generate de primul (de ex. vântul) conduc pe ultimul (de ex. speciile chimice). Mai recent, GCM si modelele chimice au fost cuplate ‚on line’ permitând astfel rapoarte de reactie între marimile dinamice, radiative si procesele chimice. În unele cazuri procesele advective si convective care transporta specii chimice sunt calculate de modelul chimic; în alte cazuri ele sunt calculate de însasi GCM.

Izotopii de apa

Diagnoza izotopilor de apa a fost incorporata în unele GCM. Izotopii sunt influentati de multi factori cum ar fi cantitatea de precipitatii, geografia regionala si distanta de sursele de apa care sa precipite. Dificultati suplimentare pentru interpretarea rezultatelor în termenii paleoclimatului constau în aceea ca relatia izotop-temperatura pare sa varieze cu starea climatica.

Aplicatii ale GCM

GCM au doua aplicatii primare: predictia vremii si climei si investigatii ce-si doresc întelegera crescuta a sistemului climatic. Pentru predictia determinista, numerica a vremii modelul se initializeaza prin combinarea modelului prevazut si a datelor de observatie. Tehnica standard curenta pentru prevedere se bazeaza pe efectuarea ansamblurilor de integrari, în care fiecare ansamblu poate avea câteva zeci de membrii. În prezent, limita de predictibilitate practica prin prognoze deterministe a atins 7-8 zile în timpul iernii, dupa cum s-a determinat un scor de 60% pentru corelarea anomaliilor la latitudinile medii. Si mai recent, GCM cuplate cu un model de circulatie generala oceanica au fost folosite pentru predictii climatice de speta întâi. Este prea devreme sa se determine limita de predictibilitate practica în acest caz, dar s-au consemnat succese pentru anticipatii de câteva luni.

Pentru cea de-a doua aplicatie, metodologia tipica de cercetare porneste cu realizarea unei simulari GCM suficient de lungi pentru a atinge cuasi-echilibrul, care este apoi definit ca climat al modelului. Pasul urmator repeta simularea prin afectarea componentei modelului reprezentativa pentru procesul de investigat.  Una dintre cele dintâi aplicatii ale acestei tehnici s-a referit la rolul jucat de Himalaia asupra musonului de vara indian prin compararea climatelor modelului cu si fara aceste înaltimi. Tehnica s-a aplicat în mod extins pentru a examina impactele globale asupra atmosferei a anomaliilor de SST, cum ar fi cele asociate cu evenimentele El Nino si La Nina din Oceanul Pacific (vezi Figura 7), precum si unor fenomene asemanatoare din alte oceane. Presupunerea subliniata în toate aceste experimente este aceea ca anomaliile atmosferice se pot separa de acelea care sunt asociate fundamental cu schimbarile în conditiile pe frontiera.

O alta aplicatie importanta a GCM priveste schimbarea climatica care se asteapta ca rezultat a schimbarii compozitiei atmosferice. GCM sunt deosebit de potrivite pentru aceasta problema, care implica multe interactii si reactii de raspuns. Impactul gazelor cu efect de sera în crestere a fost evaluat prin compararea climatului modelului cu diferite concentratii a acestor gaze. Pentru aceste studii GCM au fost cuplate cu modele oceanice de diverse complexitati. Astfel de modele cuplate pot fi folosite pentru a explora cum pot întârzia oceanele efectele încalzirii datorate gazelor de sera. Mai recent, s-a pus problema rolului cresterii aerosolilor sulfatici si GCM au fost cuplate cu modele ale chimiei sulfurilor. Astfel de modele pot fi folosite pentru a evalua problema indirecta a fortarii aerosolilor, si anume, impactul asupra climatului a schimbarilor în reflectivitate, timpul de formare si de rezidenta a norilor în prezenta norilor.

Figura 7 -867 Ansamble de predictii cu GCM al UCLA pentru iarna 1997-1998 care a reusit sa captureze evolutia anomaliilor climatice. În zone din California, de exemplu, precipitatiile prevazute, prezentate în figura, au fost doar usor peste media din noiembrie-decembrie, dar mai mult de dublul mediei pe durata februarie-martie. Intervalul între contururi: 1 mm zi^-1; maximum 6 mm zi^-1).

Simularile GCM cu concentratiile ozonului în stratosfera joasa, prescrise din datele observationale sugereaza ca destramarea ozonului din stratosfera joasa este factorul radiativ major în tendinta de racire a mediei anuale a stratosferei globale în 1979-1990 estimata din observatii, cu o contributie substantial mai redusa a gazelor cu efect de sera. Alte studii s-au referit la efectele interactive radiativo-chimice-dinamice ale pierderilor  de ozon din regiunea polara a Antarctici pe durata primaverii sudice.

Probleme de calcul

Codul de calculator al tuturor GCM contemporane este mult optimizat pentru arhitecturi vectoriale de calculator. Cele mai multe modele sunt, de asemenea sustinute de arhitecturi de calculator masiv paralele. Codurile GCM atmosferice sunt foarte heterogene si optimizarea lor nu este simpla. Parametrizarile actuale majore opereaza pe coloane verticale ale atmosferei. Daca se foloseste o partitie de retea bidimensionala pe orizontala (longitudine-latitudine), se necesita foarte putina comunicare între procesori. Cu toate acestea, cantitatea de calcule (de ex. cea pentru convectia umeda) poate varia puternic în spatiu si timp, rezultând dintr-un dezechilibru introdus de dinamica. ‚Problema polului’ necesita aplicarea filtrelor Fourier, care conduc la introducerea unui dezechilibru static. Au fost înregistrate performante de ordinul a 50 de ‚gigaflops’.

Verificarea GCM

Verificarea performantei GCM este o problema provocatoare. În predictia numerica a vremii, o valoare standard a performantei este data de corelatia dintre câmpurile prevazute si cele observate din care s-au scazut climatologiile pe termen lung ale modelului si respectiv ale observatiilor.  Se accepta în mod obisnuit ca valori mai mari de 0.6 a unor astfel de ‚corelatii ale anomaliilor’ calculate prin folosirea câmpului de înaltime de geopotential la 500 hPa corespunde unor rezultate ‚utile’. Pentru simulari climatice, validarile de început comparau mediile lunare ale câmpurilor simulate si observate, cu accent pe undele cuasistationare, undele planetare, statistica turbioanelor si a circulatiilor musonice. GCM care au participat la un efort coordonat de verificare a performantelor GCM au fost integrate pentru cel putin 10 ani cu aceleasi conditii pe frontiera corespunzator perioadei 1979-1988. Aceasta abordare coordonata a fost extinsa la modele cuplate ocean-atmosfera.

Modele pe o singura coloana (SCM) au fost folosite pentru testarea parametrizarilor fizice selectate. Un SCM consta dintr-o coloana GCM izolata, dependenta de timp fortata si constrânsa cu estimari observationale ale fluxurilor advective, a caror iesiri sunt comparate cu datele observationale produse în general prin programele de câmp.

Directii viitoare

Istoria modelarii circulatiei generale a intrat deja în faza a III (vezi Figura 1). Din punctul de vedere al simularilor climatului, prescrierea SST, ca în cele mai multe aplicatii din timpul fazei a II-a, presupune cea mai importanta parte a raspunsului si prin urmare poate sa ascunda deficiente majore ale GCM. Începutul fazei a III-a a fost stimulat în parte de dezvoltarea si aplicatia GCM cuplat atmosfera-ocean, în care un GCM atmosferic este cuplat cu un GCM oceanic pentru a prevedea SST.

Faza III se caracterizeaza prin doua tendinte generale. Una este extinderea proceselor interne, ca în includerea modelelor de suprafata oceanica si terestra. Cealalta este folosirea rezolutiilor mai ridicate pe masura ce tehnologia de calcul progreseaza. Cât timp nu se pune problema despre meritele sale, aceste tendinte cer un nivel mai ridicat al efortului de modelare. Mai întâi, reactiile de raspuns negative ascund deficientele modelului care sunt serioase chiar daca pentru simularea climatologiei actuale tind sa dispara cât sunt eliminate conditiile externe prescrise. În al doilea rând, separarea între procesele rezolvabile, care pot fi puternic tranziente si procesle nerezolvabile parametrizate, care pot fi doar aproape de un echilibru statistic, devine mult mai ambiguu cât rezolutia creste. Diferitele procese aratate în Figura 2 interactioneaza prea puternic pentru a fi formulate separat, în special când sunt implicati norii. Un scop cheie a fazei a III-a va fi unificarea acelor formulari si reducerea dependentei fizicii modelului de dimensiunea retelei, care este o lungime introdusa artificial pentru scopuri de calcul.

Vezi de asemenea

Boundary Layers: Neutrally Stratified Boundary Layer.

Climate Prediction (Empirical and Numerical). Convective Cloud Systems: Modelling

El Nino and the Southern Oscillation: Observation; Theory

General Circulation: Energy Cycle; Mean Characteristics; Momentum –Budget; Overview

Middele Atmosphere: Gravity Waves

Numerical Models: Chemistry Models; Methods

Parametrization of Physical Processes: Clouds; Gravity Wave Fluxes

Quasi-geostrophic Theory. Weather Prediction: Regional Prediction Models.