Mô hình hóa hệ thống khí hậu

Ch­ng 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP HỒ CHÍ MINH KHOA KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ((( MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG KHÍ HẬU Mô hình hóa hệ thống khí hậu là gì? Dù biểu diễn bằng cách n.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP HỒ CHÍ MINH KHOA KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU  MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG KHÍ HẬU Mơ hình hóa hệ thống khí hậu gì? Dù biểu diễn cách hệ thống khí hậu hiểu hợp thành phần: – Khí – Thủy – Sinh – Băng – Thạch Bề mặt đất không tách thành thành phần độc lập (?) xem phận hệ thống khí hậu Tất thành phần hệ thống khí hậu tương tác với phức tạp thông qua trình trao đổi lượng, động lượng, khối lượng, nước Có thể hiểu “mơ hình hóa khí hậu” việc biểu diễn hệ thống khí hậu phương trình tốn học mơ tả q trình vật lý, hóa học, sinh học,… xảy hệ thống Hệ phương trình dựa ba định luật bảo toàn: – Bảo toàn lượng – Bảo toàn động lượng – Bảo tồn khối lượng Ví dụ: Mơ hình 0D Năng lượng đến = Năng lượng S (1− α )π R2 = 4πR2σ T Tại phải mơ hình hóa khí hậu? Khí hậu khơng phải khơng biến đổi – Khí hậu biến đổi khứ: Các thời kỳ ấm, lạnh (băng hà) – Hiện khí hậu biến đổi – Và biến đổi tương lai Sự biến đổi khí hậu nhận thấy khoảng thời gian đủ dài – Có thể ví tương tự việc quan sát trưởng thành người Để dự báo dao động biến đổi khí hậu cần phải hiểu chất hệ thống khí hậu Hệ thống khí hậu khơng thể mơ mơ hình vật lý phịng thí nghiệm Phương pháp thích hợp để mơ hình hóa hệ thống khí hậu cơng cụ tốn học kết hợp với định luật bảo tồn Mục tiêu mơn học Cung cấp kiến thức mơ hình hóa khí hậu – Hiểu ngun lý mơ hình hóa – Hiểu cách biểu diễn hệ thống khí hậu cơng cụ tốn học – Phân tích hiểu trình xảy hệ thống, phương pháp biểu diễn q trình, phương pháp tham số hóa – Thực hành số mơ hình đơn giản CHƯƠNG HỆ THỐNG KHÍ HẬU VÀ SỰ HÌNH THÀNH KHÍ HẬU 1.1 Mối quan hệ khí với mặt đất Mặt trời Mọi q trình khí chịu ảnh hưởng vũ trụ phía từ mặt đất, từ phía Nguồn lượng chủ yếu q trình khí xạ Mặt trời Dòng xạ truyền tới Trái đất qua khơng gian vũ trụ Chính dịng xạ Mặt trời biến thành nhiệt khí mặt đất, thành lượng chuyển động lượng khác Dòng xạ Mặt trời đốt nóng mặt đất nhiều đốt nóng khơng khí, sau mặt đất khí xảy trình trao đổi nhiệt trao đổi nước cách mạnh mẽ Cấu trúc hình dạng mặt đất có ảnh hưởng đến chuyển động khơng khí Những tính chất quang học trạng thái điện khí mức độ định chịu ảnh hưởng mặt đất (hiện tượng đốt nóng, nhiễm bụi) Sự tồn khí cịn nhân tố quan trọng trình vật lí xảy mặt đất (trong thổ nhưỡng) lớp vùng chứa nước (chẳng hạn tượng xói mịn gió, dịng biển sóng biển gió, hình thành tan lớp tuyết phủ nhiều tượng khác) sống Trái đất Bức xạ cực tím xạ hạt Mặt trời (những dòng hạt mang điện) gây nên tác động quang hố mạnh mẽ khí quyển, đặc biệt lớp khí cao Bức xạ cực tím xạ hạt biến đổi đáng kể theo thời gian phụ thuộc vào hoạt động Mặt trời, tức phụ thuộc vào trình vật lí Mặt trời Những q trình liên quan với biến đổi lượng vết đen Mặt trời Do đó, trạng thái tầng cao khí quyển, lượng ozon, tính ion hố, độ dẫn điện, biến đổi Những biến đổi lại ảnh hưởng đến trạng thái tầng khí nằm dưới, tức ảnh hưởng đến thời tiết khí hậu 1.2 Các thành phần hệ thống khí hậu Khí hậu nhìn từ miền: Thời gian, Không gian Nhận thức người Như biết, khí hậu hình thành tác động tương hỗ lẫn xạ Mặt trời, hồn lưu khí bề mặt đệm Tuy nhiên, nói cách khái quát hình thành khí hậu Nếu xem xét chi tiết hình thành khí hậu tương tác thành phần khí quyển, bề mặt Trái đất tác động lượng xạ Mặt trời Nói cách khác, khí hậu hình thành tương tác qua lại thành phần: khí (A), thuỷ (H), sinh (B) thạch (L) Do hệ thống khí hậu (S) tổng hợp hệ (khí quyển, thuỷ quyển, sinh thạch quyển) Mỗi hệ có vai trị riêng hệ thống khí hậu 1.2.1 Khí Khí cấu tạo hỗn hợp số chất khí, gọi khơng khí Ngồi ra, khí cịn có số loại chất lỏng chất rắn trạng thái lơ lửng, gọi sol khí Khối lượng sol khí nhỏ so với tồn khối lượng khí Trong tầng đối lưu, khơng khí có chứa nước, gọi khơng khí ẩm Như vậy, thành phần khơng khí, ngồi chất khí cịn có sol khí nước Khác với chất khí khác, lượng nước khơng khí biến đổi lớn Trong tầng thấp độ ẩm riêng biến đổi từ vài phần vạn đến vài phần trăm Bởi điều kiện khí quyển, nước chuyển sang trạng thái rắn hay lỏng để nước giảm xuống, ngược lại, nước có bốc từ mặt đất mặt biển để nước tăng lên Trong thành phần khơng khí khơ tầng thấp, tính theo thể tích, nitơ ơxy chiếm khoảng 99% tồn dạng phân tử hai nguyên tử (N O2), argon chiếm gần 1%, cacbonic (CO2 chiếm khoảng 0,03%) Những loại chất khí khác chiếm khoảng vài phần chục vạn Đó khí như: kripton (Kr), xenon (Xe), neon (Ne), heli (He), hydro (H), ozon (O3), iot (I), radon (Rn), metan (CH 4), amoniac (NH3), oxy già (H2O2), oxit nitơ (N2O), Tất chất khí kể trên, điều kiện nhiệt độ khí áp khí quyển, ln trạng thái Thành phần phần trăm khơng khí khơ tầng thấp ổn định nơi, có hàm lượng khí cacbonic biến đổi cách đáng kể q trình hơ hấp phản ứng cháy, lượng khí cacbonic khơng khí nơi thống khí trung tâm cơng nghiệp tăng lên vài lần (từ 0,1 đến 0,2%) Khí khơng ngăn cản xạ tử ngoại lượng nhiệt lớn Mặt trời để bảo vệ sống Trái đất mà cịn tạo lên trao đổi lượng với bề mặt Trái đất với không gian vũ trụ để tạo hệ đó, hệ chế độ thời tiết 1.2.2 Thuỷ Đối với thuỷ quyển, đại dương có vai trị quan trọng chiếm khoảng ba phần tư diện tích bề mặt Trái đất chiếm tới 97% tổng lượng nước có hành tinh Cịn lại 3% tổng lượng nước (nước ngọt) thuộc nước mặt nước ngầm lục địa nước dạng băng tuyết hai cực núi cao Trong số trường hợp, lớp băng tuyết coi Trái đất gọi băng Mặc dù nước chiếm phần nhỏ đóng vai trị quan trọng, nước coi nguồn tài nguyên thiết yếu sống Trái đất Tác động chủ yếu thuỷ khí hậu nước ln ln bốc từ bề mặt Trái đất vào khí Q trình bốc khơng cung cấp cho khí lượng nước để hình thành giáng thuỷ, mà cịn cung cấp cho khí lượng nhiệt lớn lượng nước ngưng kết 1.2.3 Sinh Sinh bao gồm toàn sống Trái đất Sinh có vai trị quan trọng khí hậu, chúng làm thay đổi tính chất bề mặt đệm độ gồ ghề, màu sắc, dẫn tới làm thay đổi hệ số hấp thụ hệ số phát xạ xạ Vì vậy, sinh làm thay đổi cán cân xạ Ngồi ra, sinh cịn làm thay đổi khả giữ nước bốc thoát bề mặt Ngồi ra, cịn phải kể đến trị làm thay đổi nồng độ CO khí đại dương thơng qua q trình hơ hấp, quang hợp, phân huỷ, chúng 1.2.4 Thạch Thạch bao gồm toàn phần đất, đá Trái đất Chúng có vai trị to lớn chế độ khí hậu, phần thạch lục địa - phần có ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ khí hậu - chiếm khoảng 1/4 diện tích bề mặt Trái đất Sự nóng lên lạnh nhanh chóng ngày năm phần thạch dẫn tới khác biệt phân bố nhiệt độ mặt đệm khác Đấy nguyên nhân trực tiếp sinh dịng khơng khí Trái đất, nhiên dạng địa hình khác thạch làm thay đổi dịng khơng khí Ngồi ra, dạng địa hình thạch mà hải lưu đại dương bị thay đổi, chúng tạo dịng bờ đơng bờ tây, Ngồi ra, thạch cịn trao đổi động lượng, nhiệt lượng, sol khí với khí quyển, đặc biệt lớp biên khí 1.3 Tác động khí hậu (Climate Forcing) Hệ thống khí hậu hệ động lực trạng thái cân động (cân tạm thời) Các thơng lượng xem vector mà hướng chúng quan trọng Các dịng (net) khác chúng hàm khoảng thời gian xem xét Nguồn tích lũy (budget), kết dòng thuần, thiết lập có nhiễu động biến đổi Trong hệ thống khí hậu, thơng lượng quan trọng dịng lượng xạ (mặt trời, sóng dài) Ngồi cịn có dịng khối, đặc biệt nước, sau đến dịng carbon, nitrogen Tác động khí hậu biến đổi áp đặt lên cân lượng hành tinh, gây nên biến đổi nhiệt độ toàn cầu Những tác động áp đặt lên hệ thống khí hậu chia làm hai loại: + Tác động bên ngoài: Gây nên tác nhân ngồi hệ thống khí hậu, thay đổi xạ mặt trời + Tác động bên trong: Là nhân tố bên hệ thống khí hậu, phun núi lửa, biến đổi tảng băng, tăng hàm lượng CO2, tàn phá rừng biến động thành phần hệ thống khí hậu Tác động bên dài hạn: Sự trôi dạt lục địa, vận động tạo sơn, biển đổi trục từ trường Trái đất,… 1.3.1 Những nguyên nhân bên ngồi hệ thống khí hậu (1) Dao động Milankovitch: Sự biến đổi tham số quĩ đạo Trái đất: Biến đổi độ lệch tâm quĩ đạo (E): + Chu kỳ khoảng 110 000 năm + triệu năm trước: E ~ 0.000483 - 0.060791, tương ứng với BXMT biến đổi từ +0.014% đến -0.170% (~0.19Wm-2 đến ~2.3Wm-2) so với + Hiện E = 0.017 + E lớn xạ mặt trời đến nhỏ + Có ảnh hưởng đến dao động nhiều năm Biến đổi độ nghiêng trục quay: + Chu kỳ khoảng 40000 năm + Giá trị biến thiên khoảng từ 22° đến 24.5° + Giá trị nay: 23.5° + Có ảnh hưởng đến dao động mùa Biến đổi tiến động quĩ đạo: + Do lực hấp dẫn hành tinh (chủ yếu với Mộc), điểm cận nhật (điểm quĩ đạo Trái đất gần mặt trời nhất) chuyển động không gian quĩ đạo ellipse chuyển động xoay quanh không gian + Sự tiến động quĩ đạo làm biến đổi điểm phân theo thời gian + Có hai chu kỳ 23000 18800 năm a) Sơ đồ biến động tham số quĩ đạo b) Sự biến động tham số quĩ đạo 500 nghìn năm trước kết phân tích lõi băng Vostok Phổ dao động khí hậu 500000 năm trước (đường cong xây dựng từ phân tích đồng vị hai lõi mẫu Ấn Độ dương) Những chu kỳ quan trọng: + 100000 năm (độ lệch tâm) + 43000 năm (độ nghiêng trục) + 24000 19000 năm (tiến động vị trí điểm cận nhật) (2) Hoạt động mặt trời: Biến động khí hậu lịch sử có liên quan đến chu kỳ vết đen mặt trời xem nguyên nhân thứ hai biến đổi khí hậu Chu kỳ xuất cách tuần hoàn 22 năm, hai lần vết đen mặt trời mạnh Dường biên độ chu kỳ tăng chậm theo thời gian sau giảm nhanh với chu kỳ khoảng 80-100 năm Cũng cịn có dao động tựa chu kỳ khoảng 180 năm Cơ chế liên hệ hoạt động vết đen mặt trời điều kiên bề mặt Trái đất chưa giải thích tương quan đơn giản khí hậu vết đen mặt trời thường xem xét điều kiện toàn cầu (3) Những nhân tố bên ngồi khác: Sự tăng aerosol tầng bình lưu tầng đối lưu bụi vũ trụ, băng Tuy nhiên khó tách biệt nguyên nhân thành nguyên nhân bên hay nguyên nhân tự nhiên (không người) bên 1.3.2 Những nhân tố bên trong: Biến đổi người gây (1) Khí nhà kính Greenhouse Effect = Surface Emission - Outgoing Energy -2 -2 -2 155 Wm = 390 Wm - 235 Wm (2) Ozone tầng bình lưu: - Vai trị ozone tầng bình lưu - Ngun nhân gây nên lỗ thủng tầng bình lưu: CFCs (chlorofluorocarbons), HCFCs (hydrochlorofluorocarbons) - Tuổi thọ CFCs, HCFCs (3) Sự biến đổi bề mặt đất: - Biến đổi sử dụng đất, Phá rừng, Hoang mạc hóa, sa mạc hóa - Biến đổi albedo bề mặt làm biến đổi lượng xạ mặt trời hấp thụ 1.3.3 Những nhân tố bên trong: Biến đổi tự nhiên (1) Sự phun núi lửa: - Làm tăng nhiệt độ (khơng khí, mơi trường xung quanh) - Đóng góp chủ yếu làm tăng H2SO4 tầng bình lưu - Làm tăng hàm lượng aerosol khí quyển, chủ yếu trú ngụ tầng bình lưu Nhiệt độ khơng khí bề mặt tồn cầu tính theo mơ hình GISS năm 1987 Các kịch mơ hình: A: Giả thiết khí nhà kính tăng theo hàm mũ, núi lửa phun khơng nhiều; B: Khí nhà kính tăng tuyến tính; C: Bao gồm núi lửa phun giả định vào 1995 2015 Thực tế núi lửa phun mạnh vào năm 1991 tác động thấy từ nhiệt độ quan trắc (2) Biến đổi hồn lưu đại dương: - Vai trị tích lũy vận chuyển lượng đại dương - Ba thành phần hồn lưu đại dương: Dịng chảy mặt (do gió), hồn lưu sâu (do gradient nhiệt muối), dòng triều (mặt trăng, mặt trời) - Biến động tự nhiên hồn lưu đại dương có vai trị quan trọng khí hậu - Qui mơ thời gian biến thiên từ chu kỳ băng hà đến chu kỳ hàng năm (ENSO) Sơ đồ minh họa hoàn lưu nhiệt muối đại dương Bốn nguồn nước sâu đại dương nằm khơi Greenland Nam cực, tạo thành nước sâu Bắc Đại Tây dương (NADW) nước đáy biển Nam cực (AABW) 1.4 Những trình hình thành khí hậu 1.4.1 Q trình tuần hồn nhiệt Khí hậu xác định vịng tuần hồn tuần hồn nhiệt, tuần hồn ẩm hồn lưu khí gọi q trình hình thành khí hậu Thực chất tuần hồn nhiệt tạo nên chế độ nhiệt khí sau: Khí quyển, hấp thụ phần tia Mặt trời xuyên qua biến chúng thành nhiệt, phần khuếch tán làm biến đổi thành phần quang phổ chúng Nhiệt độ khơng khí thường gây cảm giác nóng hay lạnh có tầm quan trọng lớn sống Trái đất Sự biến đổi nhiệt độ khơng khí q trình ngày trình năm phụ thuộc vào quay Trái đất biến thiên thông lượng xạ Mặt trời, liên quan với chuyển động quay Song nhiệt độ khơng khí biến đổi khơng điều hồ, khơng có chu kì khơng khí chuyển động không ngừng từ nơi đến nơi khác Trái đất Sự phân bố nhiệt độ không khí Trái đất phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện chung theo đới thông lượng xạ Mặt trời, phụ thuộc vào phân bố lục địa biển (vì biển lục địa hấp thụ xạ đốt nóng khác nhau) Và cuối cùng, phụ thuộc vào dịng khí thịnh hành đem khơng khí từ khu vực đến khu vực khác Trái đất Tuy nhiên, nhiệt độ khơng khí nước xác định động chuyển động trung bình tất phân tử khí nước Nhiệt độ cho biết trạng thái “nóng” hay “lạnh” vật Trong khí đại dương, nhiệt dạng lượng vận chuyển trình truyền nhiệt phân tử truyền nhiệt rối q trình đối lưu Do nước có nhiệt dung lớn đất khơng khí nên khối nước biển chậm bị đốt nóng hay làm lạnh biến đổi nhiệt độ nhỏ so với đất liền có khả tích luỹ lượng nhiều đất khơng khí Chính vậy, biển có tác động lớn đến thời tiết khí hậu 1.4.2 Quá trình tuần hồn ẩm Ngồi tuần hồn nhiệt, khí mặt đất thường xuyên diễn tuần hoàn nước hay tuần hoàn ẩm Nước từ bề mặt đại dương vùng chứa nước, từ thổ nhưỡng ẩm thực vật bốc vào khí Q trình thổ nhưỡng lớp nước cung cấp lượng nhiệt lớn Hơi nước-nước trạng thái hơi, thành phần quan trọng không khí Trong điều kiện khí nước biến đổi ngược lại, ngưng kết, tụ lại, kết mây sương mù xuất Do trình ngưng tụ, lượng ẩn nhiệt lớn toả khí quyển, với điều kiện định, nước rơi xuống từ mây Trở mặt đất, tính chung cho tồn Trái Đất, lượng giáng thuỷ cân với lượng bốc Lượng giáng thuỷ phân bố theo mùa có ảnh hưởng đến lớp thổ nhưỡng việc trồng Điều kiện dịng chảy, chế độ sơng, mực nước hồ tượng thuỷ văn khác phụ thuộc vào phân bố biến thiên lượng giáng thuỷ 1.4.3 Hồn lưu khí Sự phân bố nhiệt khơng khí dẫn tới phân bố khơng khí áp Chuyển động khơng khí hay dịng khí lại phụ thuộc vào phân bố khí áp Đặc tính chuyển động khơng khí tương ứng với mặt đất chịu ảnh hưởng lớn điều kiện chuyển động xảy Trái đất quay Ở tầng khí quyển, chuyển động khơng khí cịn chịu ảnh hưởng ma sát Chuyển động tương đối khơng khí mặt đất gọi gió Tồn hệ thống dịng khí quy mơ lớn Trái đất hồn lưu chung khí Chuyển động xốy cỡ lớn xốy thuận xốy nghịch thường xun xuất khí quyển, làm cho hệ thống hoàn lưu trở nên phức tạp Những biến đổi thời tiết có liên quan với di chuyển khơng khí hồn lưu chung khí quyển, khối khí di chuyển từ khu vực sang khu vực khác mang theo điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, lượng mây yếu tố khác Ngồi hồn lưu chung, khí cịn có hồn lưu địa phương quy mơ nhỏ nhiều gió mùa, gió đất - gió biển (brizơ), gió núi - gió thung lũng loại gió khác Các xốy mạnh cỡ nhỏ lốc, vòi rồng thường xuất Gió gây sóng mặt nước, dịng chảy đại dương tượng băng trơi Gió nhân tố quan trọng q trình xói mịn tạo thành địa hình 1.5 Mối quan hệ thành phần khí hậu Trong mục trước ta xét đến ba q trình hình thành khí hậu Trái đất tuần hoàn ẩm, tuần hoàn nhiệt hồn lưu chung khí Cả ba q trình tương tác với Chẳng hạn, chế độ nhiệt mặt đệm, dẫn đến chế độ nhiệt khí quyển, chịu ảnh hưởng lượng mây ngăn cản thơng lượng trực xạ Mặt trời Sự hình thành mây khâu tuần hoàn ẩm Nhưng hình thành mây phụ thuộc vào điều kiện mặt đệm khí lại phụ thuộc vào bình lưu nhiệt, nghĩa phụ thuộc vào hồn lưu chung khí Mặt khác, hồn lưu chung khí tạo nên vận chuyển độ ẩm lượng mây Chính mà ảnh hưởng đến tuần hồn ẩm qua ảnh hưởng đến điều kiện nhiệt Trong thực tế ta thường xuyên quan sát thấy ảnh hưởng qua lại ba qúa trình hình thành khí hậu Vì vậy, đặc trưng yếu tố khí hậu kết tác động đồng thời tất ba trình hình thành khí hậu Sự phân bố tổng lượng giáng thuỷ Trái đất kết trực tiếp tuần hoàn ẩm hình thành giáng thuỷ khâu chu trình Như hình thành giáng thuỷ phụ thuộc vào vị trí nguồn ẩm (trước hết vị trí đại dương) tương ứng với địa phương phụ thuộc vào khâu khác hoàn lưu ẩm bốc hơi, dòng chảy, khuếch tán rối nước ngưng kết Nhưng chế độ giáng thuỷ chu kỳ ngày Điều quan trọng cần lưu ý dòng chảy hầu hết mơ hình khơng có thêm vai trị chu trình thủy văn mơ hình, tham số gần định tuyến sơng cho phép tính tốn lượng nước lưu vực đại dương Các nghiên cứu mơ hình khác xác định tầm quan trọng thủy văn bề mặt mơ khí hậu Ví dụ, hình 5.21, từ báo cổ điển, cho thấy bốc bề mặt tác động đáng kể đến lượng mưa Trong thí nghiệm này, lượng bốc từ bề mặt đất bắt buộc phải với lượng bốc tiềm (bốc từ bề mặt ẩm hoàn toàn) lượng bốc từ bề mặt đất phải tất điểm bề mặt đất Như thấy, tháng 7, kết lượng mưa giảm đáng kể (Hình 5.21b so sánh với Hình 5.21a) Cùng với giảm đáng kể lượng mưa, có thay đổi vị trí lượng mưa cực đại khu vực lục địa Mặc dù khắc nghiệt, thí nghiệm cho thấy mơ hình hóa nước từ bề mặt đất quan trọng việc mơ hình hóa xác chế độ thủy văn tồn cầu Khi chu trình trao đổi lượng độ ẩm trở nên thực tế (Hình 5.20b), vấn đề mơ hình hóa bề mặt đất đối chiếu nghiên cứu thủy văn lưu vực với độ phân giải mơ hình khí hậu hồn lưu chung: phần tử lưới 3°x5° Những khó khăn dẫn đến vấn đề việc "giảm quy mô" kết GCM xuống khu vực nhỏ hơn, chủ đề thảo luận Chương Vấn đề thứ hai, không phần gay gắt, thiếu hụt liệu thủy văn để khởi tạo xác thực mơ hình tồn cầu Các chương trình quan trắc mơ hình hóa thực số bước tiến vấn đề Dự án So sánh sơ đồ tham số bề mặt đất (PILPS), thảo luận Chương 6, thành công việc tập hợp nhà lập mơ hình bề mặt đất thúc đẩy việc sử dụng liệu để so sánh xác minh lẫn Hình 5.20 (a) Sơ đồ minh họa bề mặt đất ‘xô’ đơn giản; (b) minh họa quy trình có SVATS phức tạp Sơ đồ ví dụ kiểm sốt xạ, thông lượng nhiệt tiềm ẩn cảm nhận xuất bề mặt, tiến hành lập mơ hình chuyển động độ ẩm đất xuyên qua Hình 5.21 Ảnh hưởng lượng mưa việc giảm lượng bốc từ bề mặt lục địa so với bốc cho phép tốc độ tiềm năng, mô mô hình khí hậu hồn lưu chung Kết tính trung bình từ 30 ngày cuối hai mơ 60 ngày 'tháng bảy vĩnh viễn' (sau Shukla Mintz, 1982) Từ bề mặt có độ nhám đồng với khả thủy văn hạn chế (ví dụ: Hình 5.20a), bề mặt đất biểu thị GCMs phát triển thành thành phần phụ phức tạp GCM Khí - Đại dương - Sinh (AOBGCM) kết hợp hoàn chỉnh Thực vật, thành phần chủ đạo khí hậu bề mặt đất, mơ hình hóa cách sử dụng ba phương pháp chính: (i) cách tiếp cận dựa vật lý, dẫn đến việc phát triển Sơ đồ chuyển đổi đất - thực vật - khí phức tạp (được gọi chung SVATS (ví dụ Hình 5.20b)); (ii) mơ hình sinh hóa q trình thực vật đất nhấn mạnh trao đổi cacbon, nitơ, phốt lưu huỳnh, (iii) mơ hình dự báo sinh cân bằng, xác định chất thảm thực vật 'cân bằng' dựa sơ đồ phân loại đơn giản sử dụng mơ hình nối tiếp để mô chất quần xã sinh vật kết hợp loài, tất có chức sinh trưởng khác Do kiểu sơ đồ khác nhấn mạnh (i) trao đổi lượng độ ẩm khoảng thời gian từ vài phút đến vài tháng, (ii) lưu trữ trao đổi hóa chất khoảng thời gian từ vài tháng đến nhiều thập kỷ, (iii) động lực học hệ sinh thái khoảng thời gian dài hàng thập kỷ để thiên niên kỷ Các mơ hình bề mặt đất bắt đầu bao gồm ảnh hưởng mảng 'tỷ lệ lưới phụ' loại đất khác nhau, mơ hình định tuyến sơng sử dụng để 'thoát' nước chảy đại dương Các phương pháp này, phát triển từ vị trí khác nhau, bắt đầu kết hợp gần với mơ hình có ý nghĩa sinh thể phản ứng vai trị hệ thống khí hậu CHƯƠNG THỰC HÀNH MƠ HÌNH HĨA KHÍ HẬU 6.1 Làm việc với mơ hình khí hậu Từ chương trước có nhiều mơ hình khí hậu với đặc điểm ứng dụng khác Ngay loại mơ hình khí hậu cụ thể (ví dụ: mơ hình ba chiều) có nhiều đặc điểm giai đoạn phát triển khác Hơn nữa, mơ hình khí hậu có chung mục đích nên hữu ích việc áp dụng loại mơ hình khí hậu khác cho nhiệm vụ dự báo Kết tổng hợp loại mơ hình đặc điểm mơ hình loạt mơ hình dự đốn mơ hình gây hoang mang Kết đa dạng loại mơ hình tính chất mơ hình chuỗi rắc rối Chuỗi dự đoán khả dự đoán kết hợp với vai trị liên tục cơng nghệ máy tính việc phát triển mơ hình, thúc đẩy cộng đồng mơ hình khí hậu thực số sáng kiến khác mà thức hóa vài thói quen cần thiết trước Cộng đồng phát triển loạt tiêu chuẩn trao đổi liệu, bắt đầu tạo khuôn khổ để phát triển mơ hình hệ thống khí hậu khởi xướng loạt so sánh đánh giá kết hoạt động theo mơ hình Như giới thiệu Chương đến Chương 5, với việc hiểu cấu tạo loại mơ hình điều quan trọng lập kế hoạch sử dụng kết mơ hình khí hậu, bắt tay vào dự án mơ hình khí hậu, phải quen thuộc với khung phát triển mà mô hình sản xuất Chương cung cấp bước mở đầu khía cạnh mơ hình khí hậu, xem xét số thí nghiệm mơ hình dùng làm mẫu để minh họa số ứng dụng mơ hình khí hậu xem xét giao diện quan trọng mơ hình khí hậu sách 6.2 Trao đổi liệu Phần lớn phát triển ban đầu mơ hình khí hậu thực phịng thí nghiệm phủ có nguồn lực tốt Văn phịng Khí tượng Vương quốc Anh GFDL Các sở phát triển khung ngun khối cho mơ hình họ Các mơ hình tập trung vào kiến trúc máy tính có sẵn phù hợp với hệ thống lưu trữ liệu cục Định dạng liệu khả độc đáo mơ hình,thường cách nén phương pháp khác để quản lý không gian lưu trữ (thường gọi ‘khoảng trống ổ đĩa) Ví dụ, để tiết kiệm khoảng trống, nhà mơ hình kết hợp hai loại liệu thành mảng chiều, với lệnh giải mã đặc biệt yêu cầu phải hiểu tầm quan trọng số “lẻ” vùng băng biển Các kho lưu trữ kỹ thuật số tạo thiết phải có kho lưu trữ giấy kèm để giải thích cho phức tạp tệp lưu trữ Với khả tương tác hạn chế hệ thống máy tính thiếu kết nối mạng trực tiếp, việc trao đổi liệu hệ thống máy tính q trình phức tạp liên quan đến kỹ thuật Khi hệ thống máy tính phát triển, sở hạ tầng cho việc trao đổi liệu khả tương tác phát triển Sự phát triển hệ điều hành UnixTM hệ điều hành gần giống khả ứng dụng gần phổ biến chúng máy tính đại Sự phát triển nhanh chóng tốc độ liệu nhân tố quan trọng việc phát triển so sánh lẫn mơ hình Các cơng nghệ trao đổi liệu khuếch đại vấn đề liên quan đến phát triển nguyên khối Để Sự so sánh lẫn thành công, số tiêu chuẩn cho trao đổi liệu tài liệu phải phát triển Một tiêu chuẩn tiêu chuẩn tệp NetCDF (Định dạng liệu chung mạng) Unidata phát triển phương tiện để truyền liệu ứng dụng Unidata Khái niệm triển khai thư viện chứa 'chức năng' máy tính mà người dùng tập hợp để truy cập tạo tệp NetCDF Các tệp liệu tự mô tả không phụ thuộc vào máy tính, dễ dàng thay cho người dùng mà không cần tài liệu bổ sung Các tệp chứa nhiều loại liệu khác nhau, nhiều biến liệu phụ thuộc văn mô tả Triết lý dùng để giảm lỗi phát sinh từ liệu bị hiểu saivà giảm tài nguyên máy tính chuyển đổi định dạng liệu Bảng 6.1 cho thấy ví dụ đầu từ tiện ích NetCDF đơn giản Tiện ích ‘ncdump’ cung cấp tóm tắt liệu tệp Lập trình viên cần tham chiếu đến biến cần thiết theo tên cấu trúc NetCDF để truy xuất giá trị vào ứng dụng Điều tránh vấn đề liên quan đến việc định vị xác định ghi riêng lẻ tệp nhị phân đơn giản sau tham khảo mô tả định dạng in - cơng việc tốn thời gian Ngồi đặc điểm kỹ thuật định dạng tệp, nhà lập mơ hình phát triển quy ước để sử dụng định dạng nhằm thúc đẩy việc trao đổi chia sẻ tệp Ví dụ: định dạng ALMA (Hỗ trợ cho hoạt động lập mơ hình bề mặt đất) mô tả mối liên hệ để lưu trữ liệu liên quan đến biến bề mặt đất, xác định dấu hiệu cho thông lượng, v.v Sự kết nối chặt chẽ liệu siêu liệu truyền từ định dạng quy ước có nghĩa nỗ lực hướng đến việc giải thích kết tránh xa nhiệm vụ quản lý liệu Bảng 6.1 Một in mẫu từ tiện ích NetCDF Trong ví dụ này, có lượng đáng kể liệu bổ sung (siêu liệu) cho biết ngày tạo tệp phiên phần mềm thích hợp với kích thước lưới, đơn vị chi tiết tóm tắt giá trị liệu (ví dụ chỉnh sửa cho mục đích minh họa) %% ncdump(‘prate.sfc.gauss.1979.nc’) %% Generated 10-Nov-2003 14:30:58 %% Global attributes: nc.Conventions = ncchar(‘CF-1.0’); nc.title = ncchar(‘4x Daily NCEP/DOE Reanalysis 2’); nc.history = ncchar(‘created 2002/03 by J.Doe (netCDF2.3)’); nc.comments = ncchar(‘Data is from ’); nc.platform = ncchar(‘Model’); nc.source = ncchar(‘NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis (Reanalysis-2) Model’); nc.institution = ncchar(‘National Centers for Environmental Prediction’); nc.references = ncchar(‘http://wesley.wwb.noaa.gov/reanalysis2/’); %% Dimensions: nc(‘lon’) = 192; nc(‘lat’) = 94; nc(‘nbnds’) = 2; nc(‘time’) = 1460; %% (record dimension) %% Variables and attributes: nc{‘lat’} = ncfloat(‘lat’); %% 94 elements nc{‘lat’}.units = ncchar(‘degrees_north’); nc{‘lat’}.actual_range = ncfloat([88.5419998168945 -88.5419998168945]); nc{‘lat’}.long_name = ncchar(‘Latitude’); nc{‘lat’}.standard_name = ncchar(‘latitude_north’); nc{‘lat’}.axis = ncchar(‘y’); nc{‘lat’}.co-ordinate_defines = ncchar(‘point’); nc{‘prate’} = ncshort(‘time’, ‘lat’, ‘lon’); %% 26350080 elements nc{‘prate’}.long_name = ncchar(‘6-Hourly Precipitation Rate ‘); nc{‘prate’}.valid_range = ncshort([-32765 19735]); nc{‘prate’}.unpacked_valid_range = ncfloat([0 0.00524999992921948]); nc{‘prate’}.actual_range = ncfloat([0 0.00524999992921948]); nc{‘prate’}.units = ncchar(‘Kg/m^2/s’); nc{‘prate’}.missing_value = ncshort(32766); nc{‘prate’}.GRIB_name = ncchar(‘PRATE’); nc{‘prate’}.var_desc = ncchar(‘Precipitation Rate’); nc{‘prate’}.dataset = ncchar(‘NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis (Reanalysis-2)’); nc{‘prate’}.level_desc = ncchar(‘Surface’); nc{‘prate’}.statistic = ncchar(‘Mean’); nc{‘prate’}.parent_stat = ncchar(‘Individual Obs’); nc{‘prate’}.standard_name = ncchar(‘precipitation_rate’); nc{‘prate’}.cell_methods = ncchar(‘time: mean’); Quản lý liệu phần kỹ nhà mơ hình khí hậu Người lập mơ hình phải quản lý tập liệu tạo mơ hình họ (có lẽ vài Gb năm mô phỏng) quản lý sở liệu quan trắc dùng để xác nhận ràng buộc Sự tăng lên theo cấp số nhân khối lượng liệu này, độ phân giải mơ hình khoảng thời gian tăng lên, dẫn đến phát triển công nghệ liệu phân bố khác Thay người lập mơ hình chuyển liệu từ máy sang máy khác, thư viện NetCDF gần mở rộng để hoạt động theo cách phân tán Ban đầu thiết kế cho liệu hải dương học, the OPeNDAP/DODS giao thức truy cập liệu đơn giản hóa xếp liệu giao thức dùng để yêu cầu truyền tải liệu Internet, dựa mơ hình phục vụ khách hàng Dữ liệu phân phối mà không liên quan đến định dạng lưu trữ cục Bất lưu trữ liệu số tạo lưu trữ họ OPeNDAP/DODS server khiến sẵn có cho cộng đồng khoa học OPeNDAP / DODS dự án hướng tới cộng đồng dựa ý tưởng tập liệu thường người tạo chúng phân phối tốt Điều cho phép việc cập nhật thay đổi mặt liệu cách thích hợp giảm nhu cầu nhiều liệu (có thể mơ tả khác nhau) lưu trữ nhiều vị trí Dữ liệu truy cập địa điểm từ xa hệ thống phân tích hiển thị liệu từ xa sửa đổi để trở thành máy khách OPeNDAP / DODS, truy xuất liệu cấp ứng dụng, thay yêu cầu người dùng thu thập lưu trữ tập liệu 6.3 Hệ thống khung mơ hình trái đất Lịch sử cộng đồng thiết lập mơ hình khí hậu, vốn lớn lên xung quanh với hỗ trợ mơ hình phát triển sở lớn, ảnh hưởng đến mức độ mà phát triển mơ hình truyền bá thơng qua cộng đồng Ví dụ, người lập mơ hình tổ chức, phát triển sơ đồ tham số hóa đám mây mới, khơng thể dễ dàng chuyển sơ đồ sang mơ hình khác Nếu nhóm mơ hình định thực sơ đồ mơ hình họ, có khả việc phát triển mã đáng kể cần thực Ngay mơ-đun biên dịch máy tính người sử dụng, có khả xảy cố tích hợp sơ đồ với lưới mơ hình khác lược đồ bước thời gian Cũng có khía cạnh mơ-đun địi hỏi mơi trường cụ thể phải có sẵn tổ chức nhà phát triển (ví dụ: cơng nghệ lưu trữ băng đĩa) Mong muốn cải thiện hợp tác giảm thời gian phát triển, với phát triển so sánh mơ hình khí hậu, đồng nghĩa với việc tăng nhu cầu khả thay lẫn thành phần mô hình Các nhà lập mơ hình muốn kiểm tra hiệu suất mơ hình khí họ sơ đồ mơ hình đại dương khác sơ đồ bề mặt đất liền khác nhauĐể đạt mục tiêu này, việc phát triển Khung mơ hình hệ thống Trái đất (ESMF) đề xuất, để tăng cường khả tương tác hiệu suất liên doanh mơ hình lớn Động lực cho ESMF gấp ba lần: (i) mơ hình khí hậu ngày bao gồm mơ-đun chun mơn hóa cao đóng góp vào ‘hệ thống’ mơ hình hóa; (ii) phần cứng phần mềm máy tính ngày trở nên phức tạp tính tốn hiệu suất cao phụ thuộc nhiều vào hệ thống song song kiến trúc máy tính mở rộng ‘Earth Simulator’; (iii) số khn khổ mơ hình hóa phát triển để khuyến khích khả tương tác tái sử dụng phần mềm ESMF đạt bước tiến quan trọng việc thúc đẩy trao đổi thành phần mơ hình Một sơ đồ không giúp cho việc trao đổi tổ chức lớn trở nên khả thi, mà việc lập mơ hình đổi nhóm nhỏ (điển hình nhóm trường đại học) dễ dàng triển khai thành dự án mơ hình ghép nối lớn mà khơng cần mã hóa tốn kém, làm cho việc phát triển mơ hình trở thành trình phân tán thực Về bản, ESMF cung cấp phương tiện để tập hợp mô hình thành phần địa vật lý vào ứng dụng Điều minh họa tốt ví dụ Nếu nhóm lập mơ hình muốn tạo mơ hình thành phần ESMF từ (giả sử) sơ đồ bề mặt đất họ, số bước thực Kiến trúc ESMF đặc trưng thiết kế ‘bánh mì kẹp’ (Hình 6.1) Ba thành phần minh họa Hình 6.1a cho ứng dụng ESMF Cấu trúc thượng tầng cung cấp lớp vỏ bao gồm mã người dùng lớp sở hạ tầng cung cấp thành phần tảng Hình 6.1 (a) Sơ đồ cấu trúc Khung Mơ hình Hệ thống Trái đất Ví dụ: 'mã người dùng', mơ hình trình xảy bề mặt đất, kẹp hai lớp tiêu chuẩn Người tạo mơ hình bề mặt đất sử dụng quy trình thư viện tiêu chuẩn để truy cập liệu lưu trữ kết (cơ sở hạ tầng) phải giao tiếp với cấu trúc thượng tầng ESMF theo cách tiêu chuẩn để mơ hình khác thành phần khác mơ hình truy cập tham số cần thiết cách quán cách mặt vật lý mà không bị viết lại (b) Một ví dụ cấu trúc phân cấp sở hạ tầng ESMF Thơng tin giải cấp Trường, với phức tạp đơn vị, kích thước lưới chiến lược tính tốn bị ẩn (sao chép với cho phép IEEE từ Hill et al (2004), Comp Sci Eng., 6, 18–28) người dùng sử dụng để tăng tốc độ xây dựng đảm bảo hành vi quán Ví dụ: ‘đối tượng’ đồng hồ ESMF cung cấp khái niệm quán thời gian thành phần Đây khía cạnh quan trọng việc ghép nối mơ hình, thành phần mơ hình khác hoạt động bước thời gian khác Việc đóng gói mã kế thừa ESMF có nghĩa kỹ thuật hướng đối tượng đại áp dụng kỹ thuật lập trình truyền thống thường cấm cách tiếp cận ESMF sử dụng để liên kết ba mơ hình với cấu trúc lưới khác Bởi nhà phát triển tạo ứng dụng ESMF từ mã cô anh ấy, việc ghép nối trở nên tương đối đơn giản Một mơ hình khí quang phổ kết nối với mơ hình đại dương dạng lưới hữu hạn sơ đồ bề mặt đất liền định cấu lưới ‘khảm’ Hình 6.1b minh họa cách lớp sở hạ tầng tổ chức thông tin lưới theo cách phân cấp Một "trường" chứa nhiều liệu; chứa siêu liệu biến (ví dụ: độ ẩm) Lớp 'lưới' chứa thông tin lưới vật lý thơng tin cách thực phép tính Mặc dù việc bổ sung thêm mã chắn dẫn đến giảm hiệu suất mơ hình, dự án ESMF có mục tiêu 10% suy giảm hiệu suất mơ hình Phiên ESMF phát hành vào năm 2003 trình phát triển tiếp tục đến năm 2005 6.4.1 Sự so sánh công nghệ hỗ trợ: Hầu hết so sánh mô hình khí hậu gần thực nhờ đời viễn thơng tồn cầu tiêu chuẩn trao đổi liệu kèm Internet phần thiết yếu so sánh mức độ mức độ cao Thơng thường, nhóm điều phối xác định nhóm chịu trách nhiệm cung cấp hướng dẫn mơ mơ hình thống nhất, bao gồm thiết kế thử nghiệm liệu bắt buộc dựa thảo luận thông qua email hội thảo trực tiếp Nhóm điều phối thường cung cấp liệu độc lập để so sánh kết mơ hình tạo điều kiện thuận lợi cho việc so sánh mơ hình cách cung cấp phương pháp để kiểm soát chất lượng, kết điện tử trung tâm ‘thư viện’ liệu truy cập tất nhóm mơ hình tham gia Hình 6.2 Các mức độ so sánh mơ hình xác định Working Group on Numerical Experimentation (WGNE) in support of the World Climate Research Programme (WCRP) (được sửa đổi từ Gates, 1992) Các nhu cầu liên quan đến việc cung cấp sở đáng kể Đây lý so sánh mức độ bị hạn chế khía cạnh cụ thể tồn hệ thống khí hậu Các phần sau xem xét lại, ví dụ như, so sánh mơ hình khí mơ hình ghép nối, sơ đồ xạ, sơ đồ bề mặt đất mơ hình carbon đại dương 6.7 Tương lai mơ hình khí hậu Cuốn sách viết với mục đích xây dựng khung tất loại mơ hình khí hậu quan tâm đến Nhu cầu tuyển dụng nhà khoa học, nhà nghiên cứu xã hội kinh tế, nhà hoạch định trị nhân học nhà hoạch định sách vào mơ hình đánh giá khí hậu chưa lớn Chúng thu hút ý độc giả đến kết bất ngờ mơ hình khí hậu nhu cầu liên tục loạt mơ hình, từ EBM đơn giản đến mơ hình khí hậu kết hợp phức tạp nhất, cách hỗ trợ hiểu biết hệ thống khí hậu Biến đổi khí hậu có nhiều tác động đến xã hội Những thay đổi khí hậu tương lai có khả bao gồm tác động đến nông nghiệp, rừng, tài nguyên nước, chi phí sưởi ấm làm mát, tác động mực nước biển dâng lên đảo nhỏ vùng ven biển trũng thấp, lựa chọn xử lý chất thải hạt nhân hệ có lẽ địa điểm lập carbon Bất kỳ biến đổi khí hậu gây cho toàn xã hội khó khăn ghê gớm: bất ổn lớn, khả gây thiệt hại tổn thất thay đổi, thời gian lập kế hoạch dài, chậm trễ nguyên nhân hậu thời gian dài, khả có 'kẻ thua cuộc' như 'những người chiến thắng', vấn đề tồn cầu khơng thể giải với biến đổi khu vực rộng, chưa thể biết đến Ngồi tác động hữu hình nhiều tác động vơ hình khác nhau, bao gồm thiệt hại hệ sinh thái có nguy loài sinh vật Các nhà khoa học khí hậu đồng ý lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính tăng lên sol khí công nghiệp sinh khối tiếp tục thải Họ thống chế liên kết thay đổi với khí hậu, chưa thống tốc độ thay đổi, lượng thay đổi cuối Ngồi ra, nhà khoa học xã hội khơng đồng ý quy mô phản ứng hành vi tác động kinh tế xảy sau đó, ảnh hưởng thay đổi hạnh phúc Bản chất biến đổi khí hậu thách thức tồn cầu Mặc dù có tầm quan trọng lớn, chẳng hạn ấm lên người gây suy giảm tầng ơzơn tầng bình lưu mối liên hệ từ dự đốn mơ hình khí hậu hiểu biết giải pháp cuối cùng, cần phải thừa nhận hành tinh ấm xạ UV bề mặt cao lợi ích có hay nguy tương lai Các mơ hình khí hậu dự đốn mùa đơng ‘hạt nhân’ thảm họa khí hậu tương tự tác động thiên thạch vào Trái đất Khí hậu Trái đất chứng minh dễ bị ảnh hưởng thay đổi lâu dài xạ mặt trời phân bố theo mơ hình dự đoán thay đổi sử dụng đất người gây gây thay đổi khí hậu khu vực với mức độ tương tự thay đổi hiệu ứng nhà kính gây aerosol cơng nghiệp Những thách thức tiếp tục mối quan tâm nhà mơ hình khí hậu giới Phạm vi ứng dụng mơ hình khí hậu lớn Người lập mơ hình khơng thể trả lời tất câu hỏi hệ thống khí hậu, việc tiếp tục tìm kiếm để hiểu đầy đủ hệ thống khí hậu nỗ lực đáng khen ngợi đam mê Những phát triển mà thấy mơ hình kết hợp kết lịch sử lâu dài nghiên cứu đơn giản hơn, tạo sở cho thành phần đưa vào EMIC GCM Khi hiểu biết hệ thống khí hậu cải thiện thơng qua quan sát phân tích, việc sử dụng mơ hình nguồn lực tính tốn dành cho mơ hình khí hậu tiếp tục tăng lên Do đó, phức tạp ngày tăng cải thiện thẩm định dự đốn trước Một khía cạnh mơ hình khí hậu tương lai tiếp tục hợp lực mâu thuẫn loại mơ hình đơn giản (ví dụ EMIC) phức tạp (ví dụ: GCM) khả tương ứng chúng để đưa dự đoán giá trị cho việc phát triển sách Các nhà lập mơ hình khí hậu chưa giải số khía cạnh khoa học họ Ví dụ, hệ thống khí hậu mơ hình hóa hệ thống phương trình vi phân phi tuyến tính, liên kết Hành vi hỗn loạn đặc điểm tất hệ thống Điều dẫn đến biến động khơng thể đốn trước nhiều quy mơ thời gian hệ thống có xu hướng nhảy trạng thái chênh lệch cao Người ta chưa biết hỗn loạn có phải đặc điểm hệ thống khí hậu hay khơng khí hậu Trái đất ghi nhận trải qua trình chuyển đổi nhanh theo quy mô thời gian từ nhiều thập kỷ đến kỷ Khơng có lý để tin đặc tính biến tương lai Tương tự, có sở rõ ràng lịch sử khí hậu Trái đất bao gồm kiện thảm khốc tác động chổi tiểu hành tinh gây Một thiên thể có đường kính km va chạm vào Trái đất ước tính có 1/10 000 hội xuất 100 năm tới Sự thay đổi khí hậu thảm khốc bao gồm lạnh nhanh giảm mạnh xạ mặt trời tới bề mặt theo sau tác động tồn tại, hàng trăm năm Một số mơ hình q trình tiến hóa khí hậu thời gian dài rằng, trường hợp khơng có nóng lên khí hậu người gây ra, Trái đất có xu hướng chuyển sang điều kiện khí hậu mát mẻ với đỉnh điểm kỷ băng hà đầy đủ Sự làm mát gần dao động mong đợi với đợt lạnh xảy vào khoảng 5000, 23 000 60 000 năm tương lai Sự băng hà cực điểm xảy 60 000 năm tương lai dự đốn có cường độ tương đương với cực đại băng hà cuối Chỉ dựa vào lực thiên văn, Trái đất quay trở lại điều kiện tương tự nhiệt độ tối ưu Holocene sớm 120 000 năm kể từ Một kết xảy tượng nóng lên tồn cầu người tạo tượng hiệu ứng nhà kính tăng cường làm suy yếu đáng kể chế phản hồi tích cực cho biến đổi tín hiệu cưỡng quỹ đạo tương đối yếu thành chu kỳ băng - băng toàn cầu mà khởi đầu băng hà tương lai bị ngăn chặn vô thời hạn Khả xảy đặc điểm hỗn loạn đề xuất tác động người chuyển khí hậu Trái đất sang trạng thái chủ đề thu lợi ích từ việc khảo sát mơ hình khí hậu tương lai Con người ln tị mị tìm cách hiểu dự đốn Mặc dù chưa thể dự đốn khí hậu tương lai, thường tin Các định sách, phát triển, kinh doanh, tài chí cá nhân đưa hàng ngày khắp giới thể biết người phải đối mặt với khí hậu tương lai Trong phụ thuộc vào khí hậu cấp độ địa phương cịn yếu nhiều nơi, cơng nghệ kỹ thuật, thương mại quốc tế viện trợ, nguồn thực phẩm nước ngày phụ thuộc vào, chí phần khơng thể thiếu hệ thống khí hậu (Hình 1.2) Cơ sở hạ tầng phúc lợi người phụ thuộc vào khí hậu mong muốn dự đốn khí hậu tương lai khơng tị mị mà nhu cầu lập kế hoạch cho trạng thái hệ thống có tương lai Cho đến kỹ dự đoán Sự hiểu biết trị gia nhà hoạch định sách trị gia tất khía cạnh hệ thống khí hậu nâng cao cách để tăng hội trì khí hậu Trái đất trạng thái thân thiện Mặc dù công nghệ việc khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên dường làm giảm nhu cầu dự đoán thời tiết khí hậu, phát triển cơng nghiệp, kiến trúc, nơng nghiệp tài nguyên nước, chẳng hạn đường ống dẫn dầu khí đốt qua lớp băng vĩnh cửu tan chảy, cố đóng băng máy bay, lũ lụt, hạn hán, khơng khí nhiễm đợt nắng nóng khắc nghiệt, gây thiệt hại sinh mạng doanh thu hàng năm Các sách quốc tế liên quan đến khí hậu tồn cầu đàm phán thành cơng số (ví dụ, Nghị định thư Montreal) thực hiện, sách khác, chẳng hạn Nghị định thư Kyoto Công ước khung Biến đổi khí hậu, kêu gọi giảm phát thải khí nhà kính, chưa nhiều quốc gia phê chuẩn Bây bạn đọc loạt mơ hình có sẵn, phải rõ ràng mơ hình khơng phát triển theo để đáp ứng trực tiếp nhu cầu số hệ thống phân cấp quy định Thay vào đó, họ tiến bộ, rút lui, quan sát mới, ý tưởng mới, sức mạnh tính tốn tăng lên thất bại thành công đánh giá so sánh biết đến Khơng có mơ hình khí hậu "đúng" chí kiểu mơ hình khí hậu "tốt nhất" Tất có tiềm gia tăng giá trị chúng đánh giá trung thực áp dụng phù hợp ... dao động biến đổi khí hậu cần phải hiểu chất hệ thống khí hậu Hệ thống khí hậu khơng thể mơ mơ hình vật lý phịng thí nghiệm Phương pháp thích hợp để mơ hình hóa hệ thống khí hậu cơng cụ tốn học... (L) Do hệ thống khí hậu (S) tổng hợp hệ (khí quyển, thuỷ quyển, sinh thạch quyển) Mỗi hệ có vai trị riêng hệ thống khí hậu 1.2.1 Khí Khí cấu tạo hỗn hợp số chất khí, gọi khơng khí Ngồi ra, khí cịn... đủ khí đại dương Hình 2.2 Minh họa đặc điểm mơ hình hồn lưu khí (a) đại dương (b) Hình 2.3 Sơ đồ mơ hình tốn học mơ hình hóa hệ thống khí hậu Minh họa đặc trưng mơ hình khí hậu ba chiều, khí