Sistema de procesos acoplados

Transcripción

1 Sistema de procesos acoplados La dinámica a largo plazo de la interacción Atmósfera + Superfície es la que determina el clima. Además el 90% del intercambio energético ocurre en la escala pequeña. Esta interacción ocurre a muchas escalas espaciales y temporales, tanto en el aire como en el suelo; siendo las escalas temporales del aire mucho menores que las del suelo, de manera que normalmente se conoce a la atmósfera como el componente rápido y al suelo como el componente lento. La interacción entre estos dos componentes es muy compleja con ciclos en muchas escalas de tiempo desde la diurna, estacional, etc...-más propias de la atmósfera- hasta escalas de miles de años -más propias del océano-. Son particularmente interesantes las oscilaciones cuasi periódicas derivadas directamente del acoplamiento océanoatmósfera como son los patrones de teleconexión, entre los que se destacan El Nino Southern Oscillation (ENSO) y North Atlantic Oscillation (NAO) que perturban el clima no solo en la región donde aparece la perturbación. Todo esto se complica más aún debido a las heterogeneidades superficiales que producen forzamientos locales. Las más importantes son la orografía, el tipo y uso del suelo, golfos, lagos y pantanos, contrastes tierra-mar, nieve y hielo, las corrientes oceánicas y los aerosoles. Todas las escalas son importantes en el sistema climático: 100 millones de cúmulos cada día transportan más energía que todos los huracanes. Es un error plantearse un modelo climático en el que no figuren explícta o implicitamente todos y cada uno de los procesos que lo componen 13

2 Escalas Los modelos climáticos ocupan el escalón más alto de complejidad, ya que han de tener en cuenta todas las escalas. atmosférico oceánico 10000km 1000km 100km 10km 1km climática estacional mensual medio plazo corto plazo inmediata regional local vigilancia H+0 H+3 H+6 D+1 D+3 D+10 M+1 M+3 A+1 A+100 determinista probabilístico Metafóricamente: La atmósfera es la cola del látigo en el sistema climático 14

3 Retroalimentación Existen muchos mecanismos de retroalimentación en el sistema climático, algunos estabilizadores, como un termostato, y otros desestabilizadores. Si la Tierra se calienta, la nieve y el hielo se derriten. El derretimiento de la nieve reemplaza superficies blancas y reflejantes por superficies de árboles verdes, suelos, café u océanos azules. Al ser superficies mas oscuras absorberán más radiación solar. Este proceso es un proceso de retroalimentación positiva. Al calentarse la Tierra, se produce más evaporación y esta produce nubes. Las nubes blancas reflejan la radiación solar de regreso al espacio, reduciendo entonces el calentamiento del planeta. Este último es un proceso de retroalimentación negativa. La correcta simulación de estos mecanismos es uno de los aspectos mas controvertidos en los estudios de sensibilidad, en especial el impacto de la nubosidad. 15

4 Componentes y procesos elementales Interacción Atmósfera - Suelo El Sistema Climático se puede considerar como una mezcla de vida, gases y agua en movimiento dentro de un campo gravitatorio sobre una esfera heterogénea en rotación y calentada por el sol. En este sistema coexisten perturbaciones de todas las escalas, desde las grandes ondas planetarias de km, hasta las pequeñas perturbaciones turbulentas de 1cm. 16

5 Variabilidad en escalas geológicas Las condiciones de contorno del sistema climático tienen una gran variabilidad a escalas de tiempo geológicas 17

6 Variabilidad en ciclos Astronómicos. Teoría de Milankovitch 18

7 Modelos de simulación del Clima 19

8 Ejemplo de modelo climático Actualmente, los supercomputadores paralelos permiten simular con gran realismo los fenómenos más significativos de la circulación atmosférica. ECMWF. Thunderstorm (>2000 procesadores) 20

9 Tipos de modelos Tipos de modelos: 1. Atmosphere-Ocean General Circulation Models (AOGCMs), 2. Earth Models of Intermediate Complexity (EMICs) y 3. Simple Climate Models (SCMs). Así pues, basándonos en el tipo de modelo utilizado, tendremos proyecciones del clima futuro para escalas muy diferentes: desde la escala global hasta la más fina de unos 250 km. Veremos posteriormente que la información a estas escalas es insuficiente. Gracias al esfuerzo conjunto de los grupos de modelización, las proyecciones del cambio climático se basan actualmente en promedios multimodelo, de manera que ahora se dispone de estimaciones probabilísticas, que no hacen sino corroborar al menos de forma cualitativa la opinión de los expertos. 21

10 Estructura conceptual del modelo HadCM3 Los modelos de predicción a corto y medio plazo pueden admitir pequeños errores en las parametrizaciones pero los modelos climáticos no lo soportan, ya que al cabo de miles de pasos de integración estos errores hacen que el sistema acabe por explotar. Un modelo global tipo T106L20 (resolución horizontal 110km y 20 niveles), ha de ser integrado cada minutos. Para simular un año ha de realizar mas de pasos en cada uno de los 2.5 millones de puntos de rejilla. Obviamente no puede calcular explícitamente todos los procesos, por lo que la escala pequeña se aproxima en cada caja mediante parametrizaciones. 22

11 Paradigma de acoplamiento Los modelos climáticos globales acoplan la atmósfera y el océano (como mínimo). La capacidad calorífica del océano es muy superior a la de la atmósfera, con la que además de intercambiar cantidades ingentes de calor latente y sensible, dependiendo de su temperatura, tambien actúa como sumidero de gases de efecto invernadero. Esto obliga a considerar modelos de circulación oceánica tridimensionales, es decir hay que simular también las corrientes profundas; el problema es que la atmósfera es muy sensible a pequeños cambios en la intensidad y posición de estas corrientes. Los GCM oceánicos necesitan una resolución espacial muy alta, resultando tan costosos como los atmosféricos. 23

12 Matemáticas 24

13 Aspectos matemáticos de la modelización Predicción Meteorológica: Los fundamentos físicos del Sistema Climático no pueden ser integradas en los modelos sin recurrir a la computación numérica Modelos físico/dinámicos Métodos matemáticos aproximados 25

14 Ecuaciones La dinámica a gran escala (sinóptica) de la atmósfera está regida por leyes físicas conocidas: Conservación de momento, masa y energía, ecuación de estado de gases, vapor de agua. Ecuaciones no lineales!!!! v = (u, v, w), T, p, ρ = 1/α y q 26