¿CÓMO FUNCIONA UN MODELO CLIMÁTICO?
Los modelos climáticos globales son representaciones matemáticas del sistema climático de la Tierra, basadas en las leyes de la física y ejecutadas en computadoras poderosas. Representan procesos físicos fundamentales en la atmósfera, el océano, la superficie terrestre y la criosfera.
Teóricamente, estos procesos físicos se pueden representar matemáticamente aunque exista algún comportamiento caótico a pequeña escala (por ejemplo, interacciones de gotitas dentro de las nubes). Algunos de los desafíos en el desarrollo de un modelo de sistema de la Tierra son los siguientes:
(a) muchos procesos que componen el clima de la Tierra operan en diferentes escalas temporales y espaciales (ver la figura a continuación) desde unos pocos metros y segundos hasta miles de kilómetros y miles de años; y
(b) estos procesos interactúan entre sí a través de diferentes escalas de tiempo y espacio. Esto significa que, aunque un modelo climático global se utiliza principalmente para proyecciones a largo plazo de decenio a siglo, intentan incorporar tantos procesos a corto y a menor escala como sea posible, ya que estos también interactúan con las escalas más grandes.
Esquema de la escala de tiempo a través de la cual actúan los diferentes procesos del sistema de la Tierra
Con respecto a las escalas temporales: en cada paso de tiempo modelo, se calcula un nuevo estado de la atmósfera y los océanos de la Tierra y luego se utiliza como el estado inicial para el siguiente paso. Con este método, el modelo se "adelanta" en el tiempo. El clima simulado se puede inferir luego por las "estadísticas" (promedios, extremos, etc.) de simulaciones multidecadal. Los pasos de tiempo del modelo climático global típico son de 30 minutos hasta 3 horas, lo que significa que los procesos que ocurren en escalas temporales más cortas no se capturan per se, sino que deben parametrizarse (o aproximarse). Esto es similar para escalas espaciales: con una resolución espacial típica de 200 km (para la atmósfera) para cada celda de la cuadrícula del modelo, los procesos que son de menor escala (por ejemplo, condensación de vapor de agua en gotas de nubes) no se simulan per se, pero parametrizado. Los aspectos físicos se complementan con otras ecuaciones empíricas que describen otros elementos del sistema de la Tierra y cómo interactúan, por ejemplo, el efecto de la cubierta vegetal.
Una restricción significativa es el costo involucrado en la ejecución de tales modelos complejos. Normalmente se ejecuta en supercomputadoras potentes, los costos no solo son el tiempo de ejecución, sino también la infraestructura necesaria para almacenar cantidades de datos tan grandes.
A pesar de estas limitaciones, los modelos climáticos globales tienen una representación compleja de procesos físicos importantes y logran producir un clima diario bastante realista, variabilidad estacional y estados climáticos a largo plazo.
Esquema de las interacciones del sistema de la Tierra
Para los experimentos de cambio climático, es importante que los modelos capturen los procesos fundamentales que responden al "forzamiento" climático (por ejemplo, los cambios de radiación provocados por los cambios en los gases de efecto invernadero y los aerosoles). En consecuencia, algunas de las partes importantes de un modelo climático global se relacionan con:
La respuesta a la variabilidad de la irradiancia solar en un rango de escalas de tiempo.
Cambios en el balance de energía de la Tierra en la superficie y la parte superior de la atmósfera a partir de erupciones volcánicas
Cómo se absorbe y se refleja la radiación en su camino a través de la atmósfera pero también en la superficie.
Dinámica de la atmósfera y los océanos (y cómo la energía y el momento se transportan a través de los diferentes medios)
Cómo los gases de efecto invernadero y los aerosoles afectan el clima de la Tierra y la variabilidad climática
Hielo marino y capas de hielo polar
Varios "comentarios" climáticos, como la interacción de las nubes y el vapor de agua con el clima cálido, y la absorción o emisión cambiante de CO2 del océano y la superficie de la tierra.
MODELOS CLIMÁTICOS Y PRONÓSTICOS DEL TIEMPO
Si bien existen muchas similitudes entre los modelos utilizados para las predicciones meteorológicas diarias y los modelos utilizados para las proyecciones climáticas, existen algunas diferencias importantes. El IPCC (2013) señala:
Para hacer predicciones meteorológicas precisas, los pronosticadores necesitan información muy detallada sobre el estado actual de la atmósfera. La naturaleza caótica de la atmósfera significa que incluso el error más pequeño en la descripción de las "condiciones iniciales" generalmente conduce a pronósticos imprecisos más allá de una semana más o menos. Los científicos del clima no intentan ni pretenden predecir la evolución futura detallada del clima en las próximas temporadas, años o décadas.
Algunos tipos de variabilidad "interna" natural pueden ampliar la capacidad de predecir el clima futuro. Si dicha variabilidad incluye o causa anomalías extensas y de larga duración en la temperatura del océano superior, esto generará cambios en la atmósfera que lo cubre, tanto a nivel local como a distancia. El fenómeno de El Niño-Oscilación del Sur es probablemente el ejemplo más famoso de este tipo de variabilidad interna. La variabilidad vinculada a El Niño-Oscilación del Sur se desarrolla de una manera parcialmente predecible. Los servicios meteorológicos y otras agencias han explotado esto. Han desarrollado sistemas de predicción estacionales a interanuales que les permiten predecir rutinariamente anomalías climáticas estacionales con habilidades predictivas demostrables.
Para proyecciones multidecadal, se requieren simulaciones históricas y del siglo XXI. Las simulaciones históricas se inicializaron en el año 1850 y luego se permitieron evolucionar hasta 2005 en línea con los forzamientos prescritos, tanto naturales (irradiación solar, erupciones volcánicas) como antropogénicos (gases de efecto invernadero, aerosoles y uso de la tierra / cambio de cobertura) (IPCC, 2013, Capítulo 9). A diferencia de las previsiones meteorológicas, estas simulaciones climáticas históricas no se ajustan periódicamente con información actualizada sobre el estado del clima para mejorar el pronóstico: se inicializan en 1850 y luego se limitan poco a poco por el forzamiento prescrito. Por lo tanto, las simulaciones históricas no están diseñadas (ni se espera) para reproducir la secuencia observada de fenómenos meteorológicos y climáticos durante el siglo XX, pero están diseñadas para reproducir las estadísticas climáticas multidecadal observadas, como los promedios. Las simulaciones del siglo 21 se ejecutan desde 2006-2100, impulsadas por forzamientos antropógenos prescritos. Debido a las incertidumbres en la formulación del modelo y el estado inicial, cualquier simulación individual representa solo una de las vías posibles que el sistema climático podría seguir. Para permitir una cierta evaluación de estas incertidumbres, es necesario llevar a cabo una serie de simulaciones con varios modelos o mediante el uso de un conjunto de simulaciones con un solo modelo, que aumentan el costo computacional.
Dependiendo del conjunto de datos observacionales, se estima que la tendencia de la temperatura media global de la superficie (GMST) durante 1998-2012 será de alrededor de un tercio a la mitad de la tendencia durante 1951-2012. Por ejemplo, en HadCRUT4 la tendencia es de 0.04ºC por década durante 1998-2012, en comparación con 0.11ºC por década durante 1951-2012. Los periodos de hiato de 15 años son comunes tanto en la serie temporal de GMST histórica observada como en la CMIP5. Sin embargo, un análisis del conjunto completo de simulaciones históricas de CMIP5 (aumentado para el período 2006-2012 mediante simulaciones de RCP4.5) revela que 111 de las 114 simulaciones muestran una tendencia de GMST durante 1998-2012 que es más alta que todo el conjunto de tendencias de HadCRUT4. (IPCC, 2013, Recuadro 9.2). Esta diferencia entre las tendencias simuladas y observadas podría ser causada por alguna combinación de (a) la variabilidad climática interna, (b) el forzamiento radiativo faltante o incorrecto y (c) el error de respuesta del modelo.
