Trình điều khiển sơ cấp chủ yếu của những sự biến đổi nhiệt độ theo vĩ độ và theo mùa là đường thay đổi theo mùa của ánh sáng mặt trời, và trình điều khiển cơ bản của sự lưu thông khí quyển và đại dương là sự không cân bằng cục bộ giữa sóng ngắn (sóng vô tuyến có bước sóng từ 100 đến 10 mét) (SW) và tia sóng dài (LW) tại đỉnh của khí quyển. Sự tác động đến nhiệt độ do sự phân phối ánh nắng có thể giảm bớt mạnh mẽ bởi sự phân bố những đám mây và đặc trưng bề mặt.
Thấy rằng đầu tiên thông lượng trung bình hàng năm của SW tại' đỉnh' của khí quyển (TOA)1, ánh nắng được xác định bởi những thông số quỹ đạo nổi tiếng bảo đảm sự phù hợp giữa những mô hình và sự quan sát. Lượng nắng trung bình hàng năm mạnh nhất tại những chí tuyến (vĩ độ 23 độ 27 bắc hoặc nam, vùng nhiệt đới), và giảm tới khoảng một nửa tại các cực. Điều này phần lớn khiến cho gradien nhiệt độ từ xích đạo tới cực bền vững. Khi bức xạ SW đi ra Trái đất, trung bình, phản xạ với cùng lượng (của) ánh sáng mặt trời (~ 100 Wm-2 giá trị trung bình hàng năm) ở tất cả vĩ độ. Ở hầu hết các vĩ độ, sự chênh lệch giữa giá trị trung bình đa mô hình được tính trung bình theo khu vực của bức xạ SW đi ra khỏi trái đất và những sự theo dõi là giá trị trung bình hàng năm nhỏ hơn 6 W m-2 (i.e., sai số khoảng 6%; nhìn thấy Vật chất Bổ sung, Hình S8. 5). Cho rằng những đám mây là nguyên nhân cho khoảng một nửa lượng bức xạ SW đi ra ngoài trái đất, những sai số này không đáng ngạc nhiên, vì được biết rằng những quá trình của mây là một trong số khó nhất để mô phỏng với những mô hình (xem mục 8.6.3.2.3).
Figure 8.4. Root-mean-square (RMS) model error, as a function of latitude, in simulation of (a) outgoing SW radiation re ected to space and (b) outgoing LW radiation. The RMS error is calculated over all longitudes and over all 12 months of a climatology formed from several years of data.The RMS statistic labelled ‘Mean Model’ is computed by rst calculating the multi-model monthly mean elds, and then calculating the RMS error (i.e., it is not the mean of the individual model RMS errors). The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE; Barkstrom et al., 1989) observational esti-mates used here are for the period 1985 to 1989 from satellite-based radiometers, and the model results are for the same period in the 20th-century simulations in the MMD at PCMDI. See Table 8.1 for model descriptions. Results for individual models can be seen in the Supplementary Material, Figures S8.5 to S8.8.
Có những sai số bổ sung cho bức xạ SW phát ra do sự biến đổi theo kinh độ và theo mùa, và điều này có thể được định lượng bằng cách lấy trung bình của sai số root-mean-square(RMS), tính toán (cho) mỗi vĩ độ trong mọi kinh độ và những tháng và được phác họa trong Hình 8.4a (xem thêm Vật chất Bổ sung, Hình S8. 6). Những sai số trong trường số liệu hai chiều đầy đủ (Nhìn thấy S8 Vật chất, Hình Bổ sung. 6) hướng về cái căn bản lớn hơn so với những sai trung bình đới của khoảng 6W m-2, một ví dụ về kết quả thông thường mà những sai số mô hình có xu hướng tăng khi những quy mô không gian nhỏ hơn và những thang thời gian ngắn hơn được xem xét. Hình 8.4 a cũng minh họa một kết quả chung mà những sai số trung bình đa mô hình của trường số liệu trung bình hàng tháng thường là nhỏ hơn những sai số trong trường số liệu mô hình riêng lẻ. Trong trường hợp bức xạ SW phát ra, đây là vị trí đúng gần mọi vĩ độ. Sự tính toán sai số RMS trung bình toàn cầu, được dựa vào trường số liệu trung bình hàng tháng và trọng lực khu vực trên toàn bộ ô mạng lưới, chỉ báo rằng những sai số mô hình riêng lẻ trong phạm vi từ 15 tới 22W m-2, trong khi mà lỗi trong khí hậu học trung bình nhiều mô hình là chỉ có 13.1W m-2. Tại sao trường số liệu trung bình nhiều mô hình bị hạn chế hơn trong việc quan sát so với trường số liệu trong bất cứ mô hình riêng lẻ nào đang là một đề tài tiếp tục nghiên cứu; một sự giải thích thiển cẩn đó là tại mỗi vị trí và trong mỗi tháng, việc đánh giá mô hình thường hướng theo sự phân bố xung quanh giá trị đúng (đối xứng hơn hoặc kém hơn), và không mô hình độc nào phù hợp với sự quan sát. Điều này tuy nhiên không giải thích tại sao kết quả lại phân bố trong cái cách này.
Ở phía trên cùng của tầng khí quyển, bức xạ ròng sóng ngắn ở moi nơi được bù một phần bởi bức xạ sóng dài LW phát ra (i.e, sự phát ra tia hồng ngoại) phát ra từ bề mặt và khí quyển. Lấy trung bình theo năm và theo toàn cầu, sự bù này là gần chính xác. Kiểu bức xạ sóng dài LW được phát ra từ trái đất lên không gian phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ không khí, độ ẩm, những đám mây và nhiệt độ của bề mặt trái đất. Với một vài loại trừ, các mô hình có thể mô phỏng giá trị trung bình khu vực theo quan sát của LW phát ra trung bình hàng năm trong khoảng 10 W m-2 (sai số xung quanh 5%; xem supplementary material, sơ đồ S8.7). Các mô hình mô phỏng lại mức tối thiểu có liên quan trong lĩnh vực này gần xích đạo nơi mà độ ẩm cao và lượng mây rộng lớn có liên quan bao phủ vùng nhiệt đới làm tăng độ cao hiệu ứng (và làm giảm nhiệt độ hiệu ứng) cái mà bức xạ sóng dài LW phát ra không gian.
Các mô hình cũng mô phỏng một cách hợp lý chu kỳ theo mùa của đường bức xạ sóng dài LW phát ra (xem sơ đồ 8.4b). Sai số RMS cho các mô hình riêng lẻ thay đổi từ khoảng 3% sự phát xạ LW phát ra (OLR_outgoing LW radiation) tại gần cực đến mức thấp hơn 10% ở vùng nhiệt đới (chí tuyến_vùng nằm giữa hai vĩ tuyến có khí nóng). Sai số cho giá trị trung bình mô phỏng đa mô hình, nằm trong khoảng từ 2 đến 6% qua tất cả vĩ độ, nói chung là nhỏ hơn khoảng sai số của các mô hình riêng lẻ.
Với khí hậu ở trạng thái thăng bằng, bất kỳ sự không cân bằng trung bình hàng năm cục bộ nào trong dòng bức xạ ròng TOA (SW cộng LW) phải được cân bằng bởi sự phân kỳ năng lượng ròng nằm ngang kết hợp với chiều dọc của năng lượng bởi đại dương và khí quyển.
Trong thực tế dòng SW và LW của TOA được mô phỏng tốt bao hàm các mô hình phải được tính toán đúng đắn cho sự vận chuyển hướng về cực của tổng năng lượng bởi khí quyển và đại dương. Điều này chứng tỏ trường hợp, với hầu hết các mô hình mô phỏng chính xác thì sự vận chuyển năng lượng về cực trong khoảng 10%. Mặc dù điều này sẽ cung cấp một cách kiểm tra cần thiết với các mô hình, nó giống như là sai số bù các mô hình hiện tại cải thiện sự phù hợp của việc mô phỏng với việc quan sát. Đây là sự nghiên cứu mang tính lý thuyết và mô hình mà
gợi ý rằng nếu khí quyển thất bại trong việc vận chuyển một phần năng lượng quan sát, thì đại dương sẽ hướng tới bù lớn hơn (e.g, Shaffrey and Sutton, 2004).