El tiempo

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 GLOBALES Componentes de un ESM Componentes de un MCGC

Componentes de un ESM
Ecuaciones para resolver efectos deprocesos subrejilla

Ecuaciones de evolución de variables de predicción

Ecuaciones para resolver procesos de intercambio

ATMÓSFERA

Ecuación termodinámica Parametrización transf. radiativa

Ecuaciones de movimiento

Ecuación continuidad

Ecuación consv. agua

Ecuación de estado Química atmosférica

Parametrización turbulencia

Parametrización nubes y precip.

Calor sensibleEvaporación Precipitación

GEIs Arrastre viento Ecuación continuidad Ecuación sal

Calor sensible Radiación

Evaporación Precipitación

Radiación

Ecuación termodinámica

Ecuaciones de movimiento

Ecuación termodinámica Hielo contin.

Ecuación hidrológica Vegetación

Parametrización turbulencia

Geo química

Hielo oceánico

OCÉANO

CONTINENTE

SISTEMAS DE ECUACIONES DELOS 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

⇒ V (t + Δt ) = V (t ) + ΔV

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) ... enel inicio de la simulación (t0)
~ 300 × 300 km atmosf. ~ 100 × 100 km océano

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 laresolución 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?

Cálculonecesario 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 Resolvercada 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 ∼ 1 Tflops

Modelos climáticos globales en el AR4-IPCC

¿CÓMO SE EJECUTAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS?

SPIN-UP

SPIN-UP y CONTROL
Simulación de cientos de años con [CO2] = 280 ppmV constante hastaque océano -atmósfera-hielo se acoplan (SPIN-UP). Una simulación continua así hasta el año 2100 (CONTROL) para examinar la variabilidad interna del modelo

PERIODO de EVALUACION
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...