المبادئ العلمية وراء تحديث المناخ تقنيات نموذجية

The Core Physics of Climate Simulation

إن نماذج المناخ هي من بين أكثر الأدوات الحاسوبية طموحا التي تم بناؤها على الإطلاق، وهي تزيل التعقيد الهائل للغلاف الجوي للأرض، والمحيطات، وسطح الأرض، والغلاف الجوي المبكِّر إلى إطار رياضي موحد، وكل محاكاة تستند إلى أساس قوانين مادية راسخة، من حفظ الكتلة والطاقة إلى معادلة الحركة المتقلبة، ولا يمكن للعلماء أن يستنسخوا أنماط التركيز المناخية الملاحظة وتغيرات المستقبلية.

إن القلب المادي لأي نموذج مناخي هو مفهوم ميزانية الطاقة المغلقة، حيث تستوعب الأرض الإشعاع الشمسي القصير الموجات وتحتوي على إشعاع ملوث بالأشعة تحت الحمراء، ويحدّد التوازن بين الطاقة الجديدة والمنتشرة درجة الحرارة العالمية، ويسبب الاضطرابات في هذا التوازن من زيادة ثاني أكسيد الكربون، والهباء الجوي البركاني، أو التغيرات في المدونات المتخلفة للطحن السطحي، وهذا المبدأ الأول، وهو أن نماذج حفظ الطاقة لا تفي بالغرض.

وعلى مستوى أساسي أكبر، تحترم نماذج المناخ الحفاظ على الزخم والكتل، فالجو والمحيطات سوائل على كوكب متناوب، وبالتالي فإن المعادلات المختبرية للنافير ستوكس، معززة بقوة كوريوليس، وشروط الخلط الاضطرابات، وتنظم التداولات الكبيرة النطاق، وهذه المعادلات هي نفس المعدلات المستخدمة في التنبؤ بالطقس، ولكن نماذج المناخ يجب أن تدمجها على مر القرون بدلاً من الأيام.

كما أن القوانين التي تحكم تغيرات المياه في مراحلها حرجة بنفس القدر، فالإخلاء على سطح المحيط يرتفع حرارة متخلفة، ويطلق لاحقا في سحابات من التراكمات، ويبعد آلاف الكيلومترات، ويُعتبر نقل الطاقة عن طريق بخار المياه هو المحرك الرئيسي للتداول العام في الغلاف الجوي، ويرتبط ارتباطا وثيقا بتشكيلات السحاب ونموذج التهاب.

ويحل النقل الإشعاعي انتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي من خلال مناخ متجانس رأسياً، وتُحدّد الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون، والبخار المائي، وتستوعب وتُنَزَّق في مواضع محددة من الحساسية المناخية، وتُحل هذه الخطوط الطيفية باستخدام قواعد بيانات مثل HITRAN.() وتُكسر رموز الإشعاع الحديثة الطيف في نطاقات وتطبق على نسقين متداخلين متطورين أو أكثر تطوراًاًاًاًاًاً.

Deconstructing Climate Model componentss

إن نماذج نظام الأرض اليوم ليست رموزا أحادية بل اتحادات نماذج مكونة تتبادل التدفقات عبر الوصلات البينية المشتركة، فكسر النظام في الغلاف الجوي والمحيط والأرض والجليد يسمح للمجتمعات المتخصصة بصقل كل مجال مع احترام قوانين الحفظ الشاملة التي تربط بينها وبين الظواهر التي تحافظ على الريح، وتزيد من حدة نقل الزخم والحرارة والرطوبة والانقلاب بين هذه المجالات على فترات منتظمة، وتؤثر على النوعية في كل ساعة.

النماذج الجوية

ويحل عنصر الغلاف الجوي الديناميات السوائل للهواء على شبكة متقطعة، ويعرض المكافئات البدائية على خط العرض، أو على الغلاف الجوي المائي، أو على أساس التقلبات الفوقية، أو على أساس المقياس المغناطيسي للأشعة تحتية، أو على أساس الاختلاط المغناطيسي، أو على أساس المقياس التسارعي للأشعة المفاجئة.

نماذج المحيطات

وتحل نماذج المحيطات (أو التي تتحول بشكل متزايد إلى معادلة غير مائية) ذات طابع بدائي على شبكة متداخلة، وهي عادة شكلية ثلاثية القطب أو مشردة من أجل تجنب تفرد القطب الشمالي، كما أن تمثيل المواد المشعة غير المتطورة التي تشكل ظواهر حرارية في المحيط، وهو ما يمثل تضخماً في الغلاف الجوي الغالي، قد انتقل من التحول إلى نماذج واضحة في تشكيلات عالية الاستبانة.

نماذج سطح الأرض

ويتحكم عنصر الأرض في تقسيم الإشعاع السطحي الصافي إلى حرارة معقولة، وحرارة متأخّرة، وتخزين حرارة الأرض، ويحاكي ديناميات رطوبة التربة عبر طبقات متعددة، وتراكم الثلج، واعتراض التربة، وسلوكها الهرمي، وارتفاع كميات الكربون من خلال التخدير الضوئي، وتعقيد نماذج الأراضي الحديثة التي تتنافس عليها الكائنات الحية في البحيرات الأمامية؛

نماذج الغلاف الجوي

إن نماذج الغلاف الجليدي التي تحل معادلة السوست أو مضاعفاتها الضحلة وكمية سطحية تُستخدم في محاكاة التفريغ البطيء للجليد تحت وزنه، بينما يُجرى في السابق في شكل أحادي الجانب يُجبر على إنتاج نماذج المناخ، فإن مكونات التصفيق الجليدي تقترن بشكل متزايد بالنماذج المناخية العالمية، وهذا يُسمح بتلقي ردود فعل ذات اتجاهين:

الطرائق الرقمية والحسابية

إن المعادلات الإدارية للمناخ هي معادلة جزئية متمايزة نادرا ما تقبل حلولا تحليلية بشأن مجالات واقعية، فالتفريق الزمركي يحولها إلى نظم نظيفة يمكن حلها بصورة متكررة أو عن طريق مذيبات مباشرة، واختيار الحدود ذات الهيكلة غير الهيكلية أو الموحدة أو المحسّنة إقليميا - هو مبادلات بين التكلفة النهائية للحساب والقدرة على استخلاص نماذج موحّدة ومكيّفة.

فالتكامل المؤقت أيضاً أمر صعب، إذ أن أسرع موجات الغلاف الجوي (الموجات الصوتية والجاذبية) تفرض قيوداً صارمة على مدى الزمن ما لم تستخدم خطط شبه مبسطة أو مجزأة، ويعزز العديد من النماذج المعالجة الضمنية للتشغيل الرأسي، وتكاملاً صريحاً في التكاثر الأفقي، مما يسمح بخطوات زمنية لعشرات دقائق في الغلاف الجوي مع الحفاظ على الاستقرار.

ونظراً لأن نموذج المناخ لا يمكن أن يحل كل انحراف في المحيط أو كل سحابة متراكمة، فإن عمليات الغسيل يتم تشفيرها عن طريق البارامترات، وهي نماذج مصممة لإغلاقها على أساس مادي: فعلى سبيل المثال، كثيراً ما يُعالج اضطراب المصابيح المتطايرية ذات الصبغة الدرقية/المواد الفلورية التي تتطابق مع نظرية السحاب المكونية القريبة من السطح.

Hierarchies of Climate Models

ولا توجد جميع نماذج المناخ على قدم المساواة، وتحافظ جماعة النمذجة عمدا على هرمية لفصل العمليات وفهم الاختبارات، وتخفض نماذج موازين الطاقة البسيطة الكوكب إلى بضعة صناديق، ولا تستوعب سوى الاستجابة العالمية لمتوسط درجات الحرارة للغاز الإشعاعي ثاني أكسيد الكربون، وهي قيمة لا تقدر بالنسبة لعمليات حساب النظائر المتخلفة وتفسير النماذج الأكثر تعقيدا، وتدمج نماذج نظام الأرض ذات الطابع المتوسط مكونات التخميدية التي تُستخدم كل سنتين.

() في قمة الهرم، تمثل نماذج التداول العام في الغلاف الجوي المختلط تماماً، ونماذج نظام الأرض التي تشمل كذلك دورات تفاعلية للكربون والنيتروجين، والكيمياء الجوي، والنباتات الدينامية، والجليد، وهذه المقاييس هي نماذج تجريبية متعددة الأطراف للنموذج Cupled Model Intercomparison Project (CMIP)، وهي الآن في إطار مدخلها السابع.

معايرة، تقييم، كمية غير مؤكدة

ويقتضي بناء نموذج مناخي موثوق به معايرة والتحقق، رغم أن المصطلحات كثيرا ما تُصاغ، فالمعايرة (أو التعليم) تعدل بارامترات غير مؤكدة في حدود مبررة ماديا لتحسين المطابقة مع علم المناخ الملاحظ، وتعديل معدل التربة في الترسب العميق بحيث يكون نمط التهطال المداري متوافقا مع استرجاع السواتل الميكرويف، وهو نشاط موثق بصورة ضرورية وسلية.

وتشتمل عملية التقييم على مواجهة النموذج بملاحظات لم تستخدم في المعايرة، وقد تشمل هذه العملية الدورة الموسمية للنقل الجماعي الحالي الذي يمتد إلى 4.5 درجة مئوية، أو الاستجابة لثورة ماونت بيناتوبو، أو الاتجاهات السائدة في المحتوى الحراري للمحيطات، أو القيود التي تنطوي على وجود نمط ثابت من السحب في الوقت الراهن، أو التي تنطوي على توترات كبيرة في شكل سحابات متعددة.

رأس الطريق: الحاسوب الواسع والتعلم في مجال الآلات

وتقف نمذجة المناخ في لحظة تحولية، إذ تسمح الحواسيب الواسعة النطاق بإجراء محاكاة عالمية بمسافات تتراوح بين 1 و3 كيلومترات، وحل مشكلة التكديس العميقة بشكل صريح، واستيعاب حقل صبغة المحيط المتوسطة النطاق على الصعيد العالمي، وفي نماذج " التفكك المتصاعد " ، لا تزال هناك الكثير من المفارقات التقليدية غير ضرورية، يستعاض عنها بتمثيلات أساسية أكثر من الفيزياء السحابية وثبطء.

إن التعلم بواسطة الآلات المتحركة يتحول مباشرة إلى تدفق العمل النمذجة، ويمكن للشبكات العصبية أن تتعلم حسابات التحويل الإشعاعي خارج الخط، مما يقلل من الوقت المحسوب دون فقدان كبير للدقة، وقد يؤدي وضع نماذج الحفظ الأحادية في الغلاف الجوي إلى تسريع الدراسات المتعلقة بالحساسية في البارامترات، وتستخدم الملاحظات لتدريب نماذج الحرق الطموحة التي تخفض من حيث الناتج الكيميائي.

وفي نهاية المطاف، فإن المبادئ العلمية التي تقوم عليها نمذجة المناخ - حفظ الطاقة، والديناميات المتدفقة، والناموسيات الحرارية، والنقل الإشعاعي - تحافظ على الأساس، وتسمح لنا الثورة الحاسوبية بحل هذه المعادلات بتصميمات متصاعدة، بينما توفر حركة تحرير البحر أدوات جديدة لتسريع واكتشاف المجتمعات التي لا غنى عنها، وتبشر هذه التواريخ بزيادة دقة التوقعات الإقليمية لتكييف الفيضانات والجفاف،