Hvad er klimamodeller, og hvor nøjagtige er de?

Der er et berømt ordsprog, der siger, at "klimaet er, hvad du forventer; vejret er, hvad du får." Som indfødt texaner flytter til New York, Jeg havde en idé om, hvad jeg kunne forvente, men var ikke helt forberedt på hvad jeg ville få. Fordi New Yorks klima er drastisk anderledes end hvad jeg er vant til, hver morgen, før jeg forlader min lejlighed, tjekker jeg vejrudsigten religiøst. Jeg ved meget hurtigt, om det kommer til at regne, om der er en storm under opsejling ud for kysten, eller hvis jeg skal bruge ekstra lag.

Mens vejret kan ændre sig dramatisk fra dag til dag, klimaet betyder de gennemsnitlige forhold over omkring 30 år - hvor varmt er regionen, gennemsnitlig, og hvor meget nedbør får det på et år? Texas klima, for eksempel, har en tendens til at være varmere det meste af året, hvorimod New York i gennemsnit er køligere med klart definerede årstider.

Vejr og klima bruges nogle gange i flæng, men videnskabsmænd, meteorologer og forskere studerer og modellerer dem forskelligt.

Hvad er en vejrmodel?

"Dagens vejrudsigt er delvist overskyet med mulighed for byger sidst på eftermiddagen..." Dette er en velkendt vejroversigt, som du sikkert har hørt før fra en meteorolog. For at lave disse forudsigelser, meteorologer bruger vejrdata og prognosemodeller til at bestemme nuværende og fremtidige atmosfæriske forhold.

Fordi vejret foregår time for time, prognosemodeller bruger nuværende atmosfæriske og oceaniske forhold til at forudsige fremtidigt vejr. Prognosen tager højde for luftfugtighed, temperatur, lufttryk, vindhastighed og retning, samt skydække. Geografisk placering, nærhed til vand, bystrukturer, breddegrad og højde kan også påvirke det vejr, du oplever.

Vejrmodeller arbejder ved opløsninger høje nok til at generere forskellige forudsigelser for nabobyer, i nogle tilfælde, men kun over korte tidsskalaer på maksimalt to uger.

Hvad er en klimamodel?

I det væsentlige, klimamodeller er en forlængelse af vejrudsigten. Men mens vejrmodeller laver forudsigelser over specifikke områder og korte tidsrum, klimamodeller er bredere og analyserer lange tidsrum. De forudsiger, hvordan gennemsnitlige forhold vil ændre sig i en region i løbet af de kommende årtier.

Klimamodeller omfatter mere atmosfæriske, oceaniske processer og landprocesser end vejrmodeller gør - såsom havcirkulation og smeltende gletsjere. Disse modeller er typisk genereret ud fra matematiske ligninger, der bruger tusindvis af datapunkter til at simulere den overførsel af energi og vand, der finder sted i klimasystemer.

Forskere bruger klimamodeller til at forstå komplekse jordsystemer. Disse modeller giver dem mulighed for at teste hypoteser og drage konklusioner om tidligere og fremtidige klimasystemer. Dette kan hjælpe dem med at afgøre, om unormale vejrbegivenheder eller storme er et resultat af ændringer i klimaet eller blot en del af den rutinemæssige klimavariation. For eksempel, når man forudsiger tropiske cykloner i orkansæsonen, Forskere kan bruge klimamodeller til at forudsige antallet af tropiske storme, der kan dannes ud for kysten, og i hvilke regioner de sandsynligvis vil komme i land.

Når man laver klimamodeller, forskere bruger en af ​​tre almindelige typer simple klimamodeller:energibalancemodeller, mellemliggende kompleksitetsmodeller, og generelle cirkulationsmodeller. Disse modeller bruger tal til at forenkle den kompleksitet, der eksisterer, når man tager højde for alle de faktorer, der påvirker klimaet, som atmosfærisk blanding og havstrøm.

Energibalancemodeller hjælper med at forudsige klimaændringer som følge af Jordens energibudget. Denne model tager højde for overfladetemperaturer fra solenergi, albedo eller reflektivitet, og den naturlige afkøling fra jorden, der udsender varme tilbage ud i rummet. For at forudsige klimaet, videnskabsmænd bruger en ligning, der repræsenterer mængden af ​​energi, der kommer ind i forhold til at gå ud, at forstå ændringerne i varmelagring – f.eks. da mere varmeabsorberende CO2 fylder atmosfæren. Forskere tager derefter denne ligning og sætter den ind i kassemodeller, der repræsenterer et kvadrat af land inden for et tredimensionelt gitter, at udtrykke klima i en region eller endda på tværs af et kontinent.

Mellemliggende kompleksitetsmodeller ligner energibalancemodeller, men de inkluderer og kombinerer flere af Jordens geografiske strukturer - land, oceaner, og isfunktioner, for eksempel. Disse geografiske træk gør det muligt for mellemliggende kompleksitetsmodeller at simulere klimascenarier i stor skala, såsom gletsjerudsving, havstrømskifter, og atmosfærisk sammensætning ændrer sig over lange tidsskalaer. Mellemliggende kompleksitetsmodeller beskriver klimaet med mindre rumlige og tidsspecifikke detaljer, så de bruges bedst til storskala og lavfrekvente variationer i jordens klimasystem.

Generelle cirkulationsmodeller er de mest komplekse og præcise modeller til at forstå klimasystemer og forudsige klimaændringer. Disse modeller inkluderer information om atmosfærisk kemi, jordtype, kulstofkredsløb, havcirkulation og gletsjersammensætning af det isolerede område. Denne type model bruger også et tredimensionelt gitter, hvor hver kasse repræsenterer omkring 100 kvadratkilometer land, luft, eller hav, hvilket er bedre opløsning end de typiske 200 til 600 kilometer pr. kasse. Denne model er mere sofistikeret end energibalancen og mellemliggende kompleksitetsmodeller, men det kræver en større mængde regnetid - hver simulering kan tage flere uger at køre.

Hvad kan klimamodeller fortælle os om fremtiden og fortiden?

I mange årtier, forskere har indsamlet data om klima ved hjælp af kerner fra is, træer, og koraller, samt kulstofdatering. Fra denne forskning har de opdaget detaljer om tidligere menneskelig aktivitet, temperaturændringer i vores have, perioder med ekstrem tørke, og meget mere.

Efterhånden som flere datapunkter indsamles, de øger nøjagtigheden af ​​eksisterende klimamodeller. Dette forbedrer klimaprognoser, fordi tidligere klimadata er med til at etablere en baseline for typiske klimasystemer. Derfra, forskere etablerer klimavariabler, som de ønsker at bevare, som skydække, og variabler de vil teste, som øget kuldioxid, at vurdere hypoteser om fremtidige ændringer. Disse kunne estimere alt fra havniveaustigning til øgede temperaturer og risiko for tørke og skovbrande.

Hvor nøjagtige er klimamodeller?

Da verden ikke har råd til at vente årtier med at måle nøjagtigheden af ​​klimamodelforudsigelser, videnskabsmænd tester en models nøjagtighed ved hjælp af tidligere begivenheder. Hvis modellen nøjagtigt forudsiger tidligere begivenheder, som vi ved, er sket, så burde den være ret god til at forudsige fremtiden, også. Og jo mere vi lærer om tidligere og nuværende forhold, jo mere præcise bliver disse modeller.

Klimamodeller er komplekse på grund af alle de elementer, der er i flux i Jordens systemer. Hvis vores atmosfære var som månens, klimamodellering ville være ret let, fordi månen knap har en atmosfære. På jorden, klimaforskere skal tage højde for temperaturudsving, vindmønstre, havstrømme, jordoverfladekarakteristika og meget mere. På grund af dette, modellerne tager altid højde for en vis grad af usikkerhed – men modeller, der måler mindre områder med højere opløsninger, giver mere nøjagtige modeller. På trods af en lille usikkerhed, Forskere finder, at klimamodeller fra det 21. århundrede er ret nøjagtige, fordi de er baseret på velfunderede fysiske principper for jordsystemprocesser. Dette grundlag styrker det videnskabelige samfunds tillid til, at menneskelige emissioner ændrer klimaet, som vil påvirke hele planeten.

Hvorfor er klimamodeller vigtige?

At forstå fortiden, nuværende og fremtidige klima hjælper os med at forstå, hvordan Jordens systemer naturligt fungerer. Denne information, kombineret med klimamodeller, giver os mulighed for at bestemme, hvordan både naturlige og menneskeskabte påvirkninger har og vil påvirke ændringer i vores klima. Disse forudsigelser og resultater kan også foreslå, hvordan man kan afbøde de værste virkninger af klimaændringer, og de hjælper beslutningstagere med at prioritere miljøspørgsmål baseret på videnskabelig dokumentation.

Adskillige modeller har vist, at klimaet er under forandring. Øgede drivhusgasemissioner fra menneskelige aktiviteter resulterer i positive tilbagemeldinger i vores klimasystemer. Disse positive tilbagemeldinger kan resultere i mindre positive ændringer i jordsystemer, som smeltende isis, stigende havtemperaturer, stigende risiko for alvorlige oversvømmelser og tørke, og klatrende overfladetemperaturer.

Det er afgørende, at vi fortsætter med at indsamle data og forbedre modeller, øge deres nøjagtighed for at forfine vores viden om klima og vejr. Det er også bydende nødvendigt, at vi anerkender vigtigheden af ​​datadrevne resultater og videnskabsbaserede fakta, da de påvirker, hvordan samfund og politiske beslutningstagere planlægger for fremtiden. Klima- og vejrmodeller har begge evnen til at fremme den måde, vi planlægger vores byer på, påvirke forretningsmuligheder, og endda hvordan vi planlægger vores dag. Disse modeller er vores bedste chance for at finde måder at afbøde de farlige virkninger af klimaændringer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.