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Los Los modelosmodelos climclimááticosticos globalesglobales

Manuel de Castro

ICAM-UCLM, Toledo

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

Son simuladores del sistema climático ...

MCGC: Modelos del Clima Global con aCoplamiento

ATMÓSFERA

HIDROSFERA

LITOSFERA

CRIOSFERA

BIOSFERA

SISTEMA CLIMÁTICO

¿QUÉ SON LOS MODELOS CLIMÁTICOS GLOBALES?

... 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.

Componentes de un ESMComponentes de un ESMComponentes de un MCGC

Radiación

Calor sensible

Arrastre viento

Evaporación

Precipitación

Calor sensible

Radiación

Evaporación

Precipitación

Ecuación termodinámica

Ecuación hidrológica

VegetaciónHielo contin.

CONTINENTE

ATMÓSFERA


Parametrizacióntransf. radiativa

Ecuaciones de movimiento

Ecuación de estado

Parametrizaciónturbulencia

Parametrizaciónnubes y precip.

Ecuación continuidad

Ecuación consv. agua

Química atmosférica

Ecuación sal

Parametrizaciónturbulencia

Hielo oceánico

OCÉANO

Ecuaciones de movimiento


Ecuación continuidad

Geo -química

GEIs

ECUACIONES DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS GLOBALES

Ecuaciones de evolución de variables de predicción

Ecuaciones para resolver efectos de procesos subrejilla

Ecuaciones para resolver procesos de intercambio

SISTEMAS DE ECUACIONES DE LOS MODELOS CLIMÁTICOS

Aproximaciones numéricas: ( ) ( ) VtVttV

sVmtV

sVm

tV

Δ+=Δ+⇒ΔΔ

⋅Δ≅Δ⇒∂∂

=∂∂

Discretizando la variación espacial en

celdillas 3D(Δx, Δy, Δp)

~ 300 × 300 km atmosf. ~ 100 × 100 km océano

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)

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

¿CÓMO SE RESUELVEN LAS ECUACIONES?

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, ...)

PARAMETRIZACIONES

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 celdillasDiscretización temporal : Δt ≈ 1800 sNúmero de iteraciones : ∼ 5 · 106

Número de variables de predicción : ∼ 10Número 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 cálculoNúmero de operaciones matemáticas simples: ∼ 1018

Para ejecutar ∼ 1018 flop en aprox. 2 meses ∼ 1 Tflops

¿POR QUÉ SE DEBEN UTILIZAR SUPERORDENADORES?

Modelos climáticos globales en el AR4-IPCC

SPINSPIN--UP UP yy CONTROLCONTROLSimulación de cientos de años con [CO2] = 280 ppmVconstante hasta que océano -atmósfera-hielo se acoplan (SPIN-UP). Una simulación continua así hasta el año 2100 (CONTROL) paraexaminar la variabilidad interna del modelo

PERIODO de EVALUACIONPERIODO de EVALUACIONOtra simulación de 1860 a 2000 con el incremento observado de GEIs y sulfatos para evaluar la capacidad del modelo de repro-ducir la tendencia observada de la temperatura global. El “clima actual” (1960-90) se toma como referencia para derivar escena-rios de cambio climatico.

ESCENARIOSESCENARIOSSimulaciones desde 2000 suponiendo diversas evo-luciones 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.

SPIN-UP

¿CÓMO SE EJECUTAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS?

Comparación entre resultados de simulaciones con condicionesde clima pasado (1900-99) y observaciones climatológicas

Sensibilidad en la respuesta del modelo cuando se alteran ciertassuposiciones clave

Simulación de condiciones paleoclimáticas (eras glaciales e inter-glaciales)

¿CÓMO SE EVALÚAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS?

Comparación entre resultados de simulaciones con condicionesde 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 Climáticoswww-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about-ipcc.php

Temperatura media en invierno (DEF) y verano (JJA) borealesClimatología (referencia) y promedio de 11 MCGC (media modelos)


Temperatura media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales. Climatología(referencia) y diferencia con promedio de 11 MCGC (media modelos - referencia)



Precipitación media en invierno (DEF) y verano (JJA) borealesClimatología (referencia) y promedio de 11 MCGC (media modelos)



Precipitación media en invierno (DEF) y verano (JJA) boreales. Climatología(referencia) y diferencia con promedio de 11 MCGC (media modelos - referencia)



Atribución ¿Qué responsabilidad tienen las actividades humanas en el cambio climático observado?

¿Cómo responde el sistema climático global a diversos forzamientos?

Sensibilidad

¿Qué actuaciones serían “razonables” para mitigar la alteración global del clima?

Mitigación

¿Qué impactos regionales provocaría el proyectado cambio de clima?

Impacto

¿Cómo podría cambiar el clima futuro a causa de actividades humanas?Escenarios

¿PARA QUÉ SE APLICAN LOS MODELOS CLIMÁTICOS?

LA ATRIBUCIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO

Simulaciones vs.

observación

Evolución de la temperatura media global

(anomalías respecto al

promedio de 1901-1950)

Simulaciones de modelos climáticos con forzamientos naturales + antropogénicos

Sólo con forzamientos naturales

58 simulaciones con 14 modelos

Promedio de todas las simulaciones

Observaciones

58 simulaciones con 14 modelos

Promedio de todas las simulaciones

Observaciones



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/

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)




Promedios multi-modelo de cambio de temperatura media anual respecto a 1980-1999 en escenarios B1, A1B y A2



Promedios multi-modelo de cambios estacionales en 2080-2099 respecto a 1980-1999 en escenario A1B

Temperatura Precipitación Presión superf.

DJF DJF DJF

JJA JJA JJA



Promedios multi-modelo de cambios de eventos extremos en 2080-2099 respecto a 1980-1999 en escenario A1B


ΔT

Incertidumbres


DJF precipitation change (%) 2080’s minus Present Day


Incertidumbres

Condiciones iniciales (sistema “caótico”)

Representacion de procesos “clave” en losmodelos (aproximaciones numéricas, parametrizaciones, comprensión física)

Resolucion espacial de los modelos globales

Emisiones antropogénicas futuras (GEI + SUL)


Incertidumbres

Concepto clave:Más coincidenciaentre resultados

Menos incertidumbreen las proyecciones

Escenariosprobabilistas

“Ensemble” de modelos


Incertidumbres


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



Escenarios probabilistas de cambio climático

Probabilidades de cambios en función del porcentaje de simulaciones cuyos resultados coinciden



Riesgo = probabilidad × consecuencia

Incertidumbre Evaluación de riesgo

“Ensemble”modelos

climáticos

Criteriospolíticos

Los escenarios de cambio climático deben generarse utilizando un conjunto de

simulaciones realizadas por diversos modelos

Evaluación de riesgoMitigación

Adaptación

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?

PROBLEMAHan 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

¿Se podría esperar al segundo tercio de siglo para reducir las emisiones de GEIs?

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

Escenario B1

Escenario A1B

Escenario A2

pdf de los cambios de T global simulados por un conjunto de AOGCM

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 asemejanrazonablemente a los valores climatológicos

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

Los modelos ofrecen confianza sobre su capacidad para simular escenarios de clima futuros

Para evaluar los impactos inducidos por el cambio climático se deben aplicar técnicas de regionalización a los resultados de los modelos globales

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 asemejanrazonablemente 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

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