İklim Simülasyonunun Temel Fiziki

İklim modelleri inşa edilmiş en hırslı hesaplama araçları arasındadır. Dünya atmosferinin, okyanusların, arazi yüzeyinin muazzam karmaşıklığına ve enerjilerin birleşik bir matematiksel çerçeveye yayılmasına engel olurlar. Her simülasyon, sadece iyi bir tarihsel trendlerin temeli üzerinde değildir; akanlık hareket denklemlerinin korunmasından, sadece bu ilkelerin sadık bir şekilde yayılmasına izin verebilir.

Herhangi bir iklim modelinin fiziksel kalbi kapalı bir enerji bütçesi kavramıdır. Dünya kısa dalga güneş radyasyonunu absorbe eder ve uzun dalga radyasyonu yayar ve giden enerji arasındaki denge küresel sıcaklığı belirler ve bu dengeye kadar gelir - yüksek karbondioksit, volkanik aerosoller veya yüzeyde değişikliklerden albedo - enerji tasarrufu sağlar. Bu ilk ilke, enerji tasarrufu, enerji tasarrufu ve giderici ve giden enerji miktarı ile ilişkili olarak tatmin edici ve bir yük metre başına bir wattın içinde olmaktan memnun olmalıdır. Çağdaş modeller onu temsil eder.

Daha da temel düzeyde, iklim modelleri, büyük ölçekli dolaşımlar için idealdir. atmosfer ve okyanuslar dönen bir gezegende akışkanlar, bu yüzden Navier-Stokes denklemleri, Coriolis gücü ve terimlerle artırılmış, büyük ölçekli dolaşımlar hesaplamaları için, bu denklemler aynı zamanda, hava tahmininde kullanılan ve sıcaklık modelleri, bazen sayısal stabilite ve hesaplama verimliliğine karşı olağanüstü talepleri yerine getirmeleri gerekir.

Suların faz değişikliklerini yöneten termodinamik yasalar eşit derecede kritiktir. Okyanus yüzeyindeki Evaporasyon, daha sonra kuleye bin kilometre uzaktaki cumulus bulutları ile binlerce kilometre uzakta serbest bırakır.Bu enerji ile enerji akışı arasındaki bu taşıma, tipik bir ızgara kutusundan daha küçüktir.Bu parametrelemelerin ve yağışların dağılımı gibi parametrelerin çoğu zaman gözlemlendiğini ve en iyi şekilde yeniden tanımlanmasını sağlar.

Radiativecloud, elektromanyetik radyasyonun yayılımını dikey olarak homojen bir atmosferle çözüyor ve CO2, su buharı, methane ve ozon absorbe ve belirli enerji dengesine geri dönüşüyor.Bu ⁇ hatları, iklimde belirsizlik gibi veri tabanlarını kırıyor; modeller bulut tabakalarının tümünde doğru bir şekilde sabitlenmeli ve daha sofistike korelasyonlar veya daha karmaşıklıkta eşdeğerli akışlar için doğru bir şekilde sabitlenmeli.

İklim Model Bileşenlerinin Yeniden Yapınması

Bugünün Dünya sistemi modelleri, onları bir araya getiren aşırı koruma yasalarının monolithic kodları değil, aynı zamanda, ısı, nem ve karbonun normal aralıklarda yer aldığı, genellikle her saat veya daha az sayıda darbenin doğrudan biyo Niño-Güney Koruma yasalarının simülasyonunu etkiler.

Atmospheric Models

atmosferik bileşen, küresel bir ızgarada havanın akışkan dinamiklerini çözüyor, şimdi ilkeli bir boyuta veya süzgeye sahip olmayan ızgaralara karşı hassas bir şekilde, dinamik olarak genişleyen bir boyutsal dönüşüm yöntemleriyle karşı karşıya kalıyorlar.Her bir grid sütunu içinde, doğal olarak iyonizasyonlar, enerjiyi ve enstrophyumlu iklim modellerini koruyorlar.

Ocean Modelleri

Okyanus Jeoloji modelleri, atmosfere bağlı olarak, yüksek çözünürlükte açık bir şekilde ayarlanan veya yerinden edilmiş bir akış konfigürasyonunu Kuzey Polen tekilliğinden kaçınmaya zorlar.

Yüzey Modelleri

Arazi bileşeni, net yüzey radyasyonunun bölmesini mantıklı ısıya, geç ısıya ve zemin ısı depolamasına kontrol eder. Toprak bileşenleri birden çok katmanda toprak neziği, kar birikimi ve erkanlığı, stoklama, stoklama ve karbonu tek bir atmosferde kapsadığı gibi, toprak örtüsünün homojenliğini etkiler; karbon ve azot tabakalarını izler, bitki örtüsü ve okyanusu izler, bitki örtüsüne göre daha sonra da sert bir şekilde görülür.

Ağarışı modelleri

Buz levha modelleri Stokes denklemlerini veya sığ-kesinlerini çözmüş ve sığ-şelfürleri kendi ağırlığı altında buzun yavaş yavaş ürpermesini simüle etmeye zorlar. daha önce iklim model çıkışıyla zorlanmış olsa da, buz tabakalarının aşırı dereceden iki-yoğun geri dönüş modellerine yakın bir şekilde hareket etmesi gerekir: deniz kayması ve deniz kayması ile birlikte, deniz kayması için daha önce çökmüş olan bir miktar daha da artar.

Numerical ve C ⁇ Yöntemleri

İklim yönetim denklemleri, nadiren gerçekçi alanlara analitik çözümler kabul eden kısmi diferansiyel denklemlerdir. Sayısal diskretleştirme onları sayısal olarak veya doğrudan çözücüler yoluyla çözebilecek şekilde cebirsel sistemlere dönüştürür.Her biri kurucu, yapılı, düzgün, ya da bölgesel olarak rafine edilmemiş, küresel iklim modelleri, hesaplama maliyeti ile keskin bir şekilde karar verme yeteneği ile yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir şekilde araştırılır.

Temporal entegrasyon eşit derecede zor. En hızlı atmosferik dalgalar (kahkadar ve yerçekimi dalgaları) yarı kapalı veya bölünmüş ayarlı sistemler kullanılmadan daha uzun süre boyunca sıcaklıkları korumak için daha açık bir tedaviden yararlanmaktadır. Birçok model dikey yayılım ve kapalı koruma için kapalı bir tedaviyi talep eder ve özellikle de biyogeokimyasal izler için zaman zaman zaman ayırmaz.

Bir iklim modeli okyanusta veya her cumulus bulutunda her eddy çözemez, alt-grid süreçleri parametrelemelerle kodlanır. Bunlar fiziksel olarak tabanlı modeller: örneğin, sınır tabakalı türbülans genellikle e-posta ile tedavi edilir veya Monin-Obukhov ile eşleme teorisi, yüzeysel olarak küçülme yaklaşımları kullanarak yapılır.

İklim Modelleri

Tüm iklim modelleri eşit değildir ve modelleme topluluğu kasıtlı olarak daha karmaşık modelleri yorumlamak için bir hiyerarşiyi koruyor ve test anlayışlarını azaltır. Basit enerji dengesi modelleri gezegeni birkaç kutuya azaltır, sadece küresel sıcaklık yanıtını radiative zorlamaya izin verir.Süresel döngüler ve uzun vadeli karbon dioksitin uzun kuyruklarını yorumlayarak.

Sezgisel karbon ve azot döngülerinin yanı sıra, atmosferik kimya, dinamik bitki örtüsü ve buz çarşafları da bu ESMs, çift Model Intercomparasyon Projesinin (CMIP) işbirlikleridir ve şimdi standartlaştırılmış gazlarla yapılan deneylerde -daha iyileştirici, dinamik, gelecekteki senaryolar (Sürücük, dinamik, dinamik bir şekilde) ve idealize testler yapılır.

Kalibrasyon, Geçerlilik ve Uncertainty Quantification

Güvenilir bir iklim modeli inşa etmek hem kalibrasyon hem de geçerlilik gerektirir, ancak koşullar genellikle şişirme ile örtüşür. Kalibrasyon (veya ayar) fiziksel olarak gözlemlenen iklim ile eşleşmeyi geliştirmek için haklı olarak haklı çıkar - örneğin, en iyi şekilde modellemek için, çok farklı uydu gericilerle modeldeki performansları değiştirmek gerekir. Tuning gerekli ve bilimsel olarak yasal bir aktivitedir, ancak belgelenmiş bir şekilde belgelenmelidir.

Geçerlilik, okyanustaki ısıdaki anlık dalgalanmalarla ilgili olarak kullanılan gözlemlerle karşı karşıyadır.Bu, Antarktika Circumpolar Current toplu taşımanın mevsimsel döngüsünü içerebilir, örneğin, Mount Pinatubo patlamalarına veya bugünki eksiltme eğilimlerine yanıt verir.Internal bir belirsizlikle birlikte, bu tür bir belirsizlikle ilgili olarak, bu tür bir uzayın büyük bir belirsizlikle ilişkili olduğunu tahmin eder.

Road Ahead: Exascale Computing and Machine Learning

İklim modellemesi dönüştürücü bir anda duruyor. Exascale bilgisayarlar, bulut mikrofizik ve sınır katmanlı türbülansların daha temel temsilleri ile küresel simülasyonlara izin veriyor. Enerji dengesi, akışkan dinamikleri ve okyanusu küresel olarak kapatma problemini ortadan kaldırır, ancak DYAMOND projesinden birçok geleneksel parametreleme gereksiz hale getiriyor, bu çok günlük kararların ve Maddenimal Olimal kararlarının çok daha iyi bir şekilde iyileştirilmesini sağlıyor.

Makine öğrenimi (ML) birkaç şekilde modelleme iş akışına dokunuluyor. Neural ağları, radiative transfer hesaplamalarını çevrimdışı olarak öğrenebilir, doğrulamalardan önemli bir kaybı olmadan hesaplama zamanı azaltır.Süresel tek bir küme modeldeki izleyiciler parametre duyarlılığın artırılmasını sağlar. Gözlemler süper çözünürlüklü algoritmaların, monotonluk yöntemleri ve fiziksel rotasyonlar arasındaki farklı şekillerdeki farklı şekillerdeki farklı şekillerdeki farklı şekillerdeki farkları etkilemesi gerekir.

Sonuçta, iklim modellemesi altında olan bilimsel ilkeler – enerji, sıvı dinamikleri, termodinamik ve radiative transfer – temel olarak bizi, bu denklemleri her zaman büyük bir sadakatle çözmemize olanak sağlarken, ML bu gelişmeleri saydam fizikte sunarken, sualtı toplumlarının, kuraklıkların, ısı dalgalarının ve deniz seviyesinin yükselmesini ve iklim planlamalarını sağlayan bilimsel çabaları daha kesin bir şekilde destekliyor.