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Modelando al clima

Las siguientes cuatro páginas, en el portal de Ventanas al Universo, proporcionan una descripción básica de los modelos del clima. Así mismo, están escritos escriben en un nivel conveniente para sus alumnos.

  1. Modelado del futuro del cambio de clima
  2. ¿Qué es un modelo de clima?
  3. Cómo trabajan los modelos de clima
  4. Exactitud e incertidumbre en los modelos del clima

GCM model video still frameEste corto segmento (2 Min 14 segundos) de un vídeo ilustra algunos de los elementos básicos de los modelos globales del clima (GCM), incluyendo la construcción de una hoja cuadriculada sobre la cual se basan los cálculos de los modelos.

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Componentes de un modelo del clima

Los modelos de clima incluyen numerosos elementos del sistema de clima de la Tierra, tal como: nubes, precipitación, luz solar, hielo marino, océanos, evaporación, y así sucesivamente. Pulse aquí para ver un diagrama interactivo de los tipos de elementos que contienen los modelos del clima; puede mover su cursor sobre porciones de la imagen para ver descripciones de dichos elementos. Este diagrama hace referecia explícita a explicitly references NCAR's CCSM (Modelo del sistema de clima de la comunidad), pero los principios se aplican a otros modelos del clima.

Evolution of Climate Models

Estos diagramas representan la evolución de los modelos de clima, y las características incluidas en ellos a lo largo de los años. Los primeros modelos (en los años 70) eran relativamente sencillos; usaban tan solo algunas características dominantes (luz del sol, precipitación, y concentración entrantes de CO2) para representar al sistema de clima de la Tierra. Los modelos se fueron haciendo cada vez más sofisticados, incorporando en sus cálculos nubes, características superficiales de la tierra, hielo, y otros elementos. Los océanos simples fueron incluidos en los modelos que comenzaban alrededor de la época del primer Panel Intergubernamental de Cambio de Clima (por sus siglas al Inglés, IPCC) (FAR) a principios de los años 90; modelos posteriores incluyen representaciones más complejas de los océanos. Los modelos actuales del clima incluyen nubes, una gama más amplia de los componentes atmosféricos ( (sulfatos, aerosoles, etc.) y química atmosférica, así como la vegetación que intercambia gases con la atmósfera, y otras características. El FAR, SAR, TAR, y las etiquetas AR4 en los diagramas indican los modelos que han estado funcionando durante cada uno de los cuatro informes del IPCC.

Créditos: Imágenes cortesía de IPCC (AR4 WG 1 Capítulo 1 página 99 Fig. 1.2).

Resolución de los modelos

"La resolución " es un concepto importante en muchos tipos de modelos, incluyendo los modelos del clima. La resolución espacial especifica cuán grande (en grados de latitud y de longitud o en kilómetros o millas) son los recuadros de un modelo. La resolución temporal refiere al tamaño de los pasos de tiempo usados en modelos; cuán a menudo (simulado o "modelo de tiempo") se llevan a cabo los cálculos de las varias características que son modeladas (son típicos los pasos en un tiempo de 12-horas).

Los modelos usan hoja cuadriculada o "recuadros" para establecer los lugares en donde realizar cálculos y de esta manera hacer las estimaciones de las tendencias (temperatura, velocidad del viento, etc.) que son de interés en dicho modelo. Un modelo típico del clima puede tener recuadros con un tamaño aproximado de 100 kilómetros (62 millas) en uno de sus lados. Aunque sabemos que los rasgos, al igual que la temperatura, varían continuamente a través de la faz de la tierra, el cálculo de tales características para el globo entero están lejos de alcance inclusive para las más rápidas supercomputadoras. En cambio, los modelos típicamente usan un algoritmo que puede expresarse como "cálculo de la temperatura en un punto, después desplácese 100 kilómetros hacia el oeste y calcule la temperatura nuevamente; después desplácese otros 100 kilómetros hacia el oeste y repíta; una vez que haya dado la vuelta al globo, desplácese 100 kilómetros hacia el norte y repita el proceso; y así sucesivamente". En efecto, el modelo pone "estaciones virtual de estados del tiempo" a intervalos de 100 kilómetros, y reporta las características calculadas en cada una de las "estaciones virtual de estados del tiempo". Las "estaciones virtuales de los estados del tiempo" están situadas en las esquinas de los recuadros. Así pues, para un modelo con 100 kilómetros de resolución, solo conocemos la temperatura prevista (velocidad del viento, etc.) en intervalos de 100 kilómetros. Podemos interpolar valores medios en las "estaciones de estados del tiempo",pero la confiabilidad de tales interpolaciones es limitada.

Los modelos se pueden generar con resoluciones más altas o más bajas. Los recuadros se podían reducir de tamaño a 50 kilómetros, de esta manera se necesitarían más células para cubrir a la superficie de la Tierra y aumentar la resolución; o se podrían agrandar a 200 kilómetros, lo cual requiriría menor cantidad de células y disminución de la resolución. Mayor cantidad (y más pequeñas) células, conllevan a un aumento de tiempo de cálculo; hay simplemente más "estaciones virtuales de estados del tiempo" en donde deben calcularse las variables atmosféricas. Modelos con mayor resolución proporcionan una información mucho más detallada, pero al costo de más tiempo para correr modelos en las supercomputadoras.

Model resolution Los marcos de esta animación ilustran la resolución espacial de un modelo. La rejilla de la resolución más baja que aparace aquí, T42, cubre la mayor parte de todo el estado de la Florida con solo dos grandes recuadros. El modelo de más alta resolución, T340, usa docenas de recuadros para representar los muchos lugares específicos de la Florida. Las rejillas del modelo de alta resolución (como T340) permiten que predigamos al clima futuro en una escala mucho más precisa, pero requieren superocomputadoras de mucho mayor alcance para poder funcionar todos los cálculos requeridos. Las rejillas del modelo de resolución más baja (como T42) requieren mucho menos poder de computadoras, pero los resultados de la producción tienen muchos menos detalle.

Los modelos del clima de mediados de los años 90 usaban rejillas similares a T42, que tiene recuadros cerca de 200 por 300 kilómetros (120 por 180 millas) en latitudes medianas. La resolución T85 es típica para los modelos usados en el informe del panel Intergubernamental de Cambio de Clima (IPCC), (AR4); sus recuadros tienen cerca de 100 por 150 kilómetros (60 por 90 millas) de ancho en las latitudes medianas. En los años próximos, las rejillas T170 y T340 representan direcciones futuras de nuevos modelos, con la ayuda de supercomputadoras de mayor alcance. Tales modelos podrán producir proyecciones para climas regionales los cuales serán mucho más precisos que los que podemos generar actualmente.

Recuerde, los modelos atmosféricos (incluyendo modelos del clima) también tienen recuadros en dirección vertical, representando variaciones que vienen con altitud en la atmósfera de la Tierra. Las imágenes que aparecen aquí apenas representan la resolución en direcciones de latitud y de longitud.

Créditos: Imágenes courtesía de Warren Washington, NCAR.

Las rejillas de los modelos atmosféricos (incluyendo al clima) son tridimensionales; las rejillas deben extenderse hacia arriba a través de nuestra atmósfera. Los primeros modelos del clima tenían cerca de 10 capas verticales; los más recientes a menudo tienen cerca de 30 capas. Debido a que la atmósfera es muy delagada en comparación con el tamaño extenso de nuestro planeta, las capas verticales están mucho más unidas con respecto a las dimensiones horizontales de los recuadros. Las capas verticales se pueden espaciar en intervalos de 1 kilómetro, en referencia a los intervalos de 100 kilómetros para el espaciamiento horizontal. Sin embargo, se aplican los mismos principios con respecto a la resolución; una mejor resolución con producciones de células más pequeñas mejora los resultados, pero a costa de mayor tiempo de computadoras.

El modelado del clima es un campo de computación bastante intenso; los modeladores del clima siempre están tratando de conseguir tiempo en la más nuevas y más rápidas superocomputadoras. Como regla general, el aumento de la resolución de un modelo en un factor de dos significa que se necesitará cerca de diez veces el poder de una computadora, (o que el modelo tardará diez veces más para funcionar en la misma computadora). La mayor parte de este aumento es simplemente resultado del mayor número de "estaciones virtuales de estados del tiempo", usados en el modelo de mayor resolución. Por ejemplo, puede ser que doblemos la resolución de un modelo disminuyendo los recuadros de 100 x 100 kilómetro a recuadros de 50 x 50 kilómetros cuadrados, y aumentando el número de capas verticales de 10 a 20. Cada célula tridimensional en el modelo de baja resolución sería substituida por ocho células en el modelo de mayor resolución (2 en latitud por 2 en longitud por 2 verticales = 8), de manera que se espera que el modelo de mayor resolución pueda realizar aproximadamente 8 veces más cálculos.

Climate model resolution

Estas imágenes ilustran la resolución espacial típica usada en modelos avanzados del clima cuando se realizaban cada uno de los cuatro informes de IPCC. Hacia la época del primer informe de IPCC (FAR) en 1990, muchos modelos del clima usaban una rejilla con recuadros de aproximadamente 500 kilómetros (311 millas) por un lado (imagen superior izquierda). Antes del segundo informe (SAR) en 1996, la resolución había mejorado en un factor de dos, produciendo recuadros de 250 kilómetros (155 millas) por un lado. Los Modelos a los en el tercer informe hizo referencia (TAR) en 2001, tenía tamaños reducidos de recuadros de aproximadamente 180 kilómetros (112 millas), mientras que los recuardos modelos del cuarto informe (AR4) usaron recuadros ancho de 110 kilómetros (68 millas), mejorando así la resolución. En estas imágenes no se representa la resolución vertical, pero esta también ha mejorado a lo largo de los años. Los modelos FAR típicos tenían una sola capa "plano del océano" y 10 capas atmosféricas; los modelos AR4 a menudo incluyen 30 capas en los océanos y otras 30 capas en la atmósfera.

Observe cómo los elementos de la topografía, tales como las montañas de los Alpes, aparecen en mayor detalle en modelos de mayor resolución. Esto permite que en el futuro, tales modelos comiencen a hacer pronósticos razonables de clima regional, lo que actualmente es una necesidad emergente.

Créditos: Imagen cortesía del reporte IPCC (AR4 WG 1 Capítulo 1 página 113 Fig. 1.4).

Hasta ahora hemos hablado de la resolución del espacio; ahora hablemos de la resolución temporal . Al igual que los modeladores, debemos decidir cuán cerca y cuán juntos del espacio debemos colocar a las "estaciones virtuales de estados del tiempo" en las intersecciones de los recuadros, así mismo deben decidir cuán carca han de estar al tiempo (es decir, tiempo "virtual" o "modelo del mundo") para realizar sus cálculos. Al igual que en el caso de la resolución espacial, hay una penalidad a pagar por el tiempo de cálculo si la resolución temporal es demasiado fina. Si las condiciones en el mundo modelo se calculan con demasiada frecuencia, el modelo tarda mucho tiempo para funcionar. Si pasa demasiado tiempo del " modelo del mundo", el tiempo pasa entre los cálculos sucesivos, y el modelo es inexacto.

Supercomputers Típicamente, los modelos de clima funcionan con pasos de tiempo de aproximadamente 30 minutos; de manera que en esta resolución temporal, las características atmosféricas del mundo modelado se calculan cada media hora. A menudo, los modelos de clima predicen hasta siglo futuro (a veces, ¡tres o cuatro siglos!). Por lo tanto, un modelo típico de clima puede implicar pasos de tiempo de unos 1.753.152 (el número de medias horas en un siglo). Todos los parámetros del modelo (temperatura, velocidad del viento, humedad, etc.) serían calculados en cada uno de miles a millones de puntos de recuadros en el modelo, por cada uno de esos pasos de tiempo. Gran cantidad de cálculos... ¡esto parece un trabajo para una supercomputadora!

Generalmente, los modelos de clima funcionan con un modelo para varios "años de modelo" antes del período de tiempo en que están interesados en estudiar, a fin de hacer que el modelo se estabilice en el estado de equilibrio inicial. Este "giro" en la fase permite que el sistema modelado llegue a ser estable antes de que los modeladores introduzcan las condiciones que alteran al sistema, tal como crecientes niveles de dióxido de carbono. Es como poner a andar el motor de un automóvil en una mañana fría hasta que el motor se caliente y funcione suavemente. Por ejemplo, un modelo podría funcionar con un "giro" de 50 años con niveles de CO2 constantes antes de comenzar una simulación de los próximos 100 años con concentraciones crecientes de CO2.

Última modificación el 11 de abril de 2008 por Randy Russell.

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