Model ogólnej cyrkulacji (ang. global climate model or general circulation model, w skrócie GCM) - model numeryczny opisujący zachowanie się klimatu na podstawie równań mechaniki płynów oraz innych równań fizyki i chemii opisujących procesy istotne z punktu widzenia zmian klimatu.

Modele ogólnej cyrkulacji atmosfery (AGCM) mają uproszczony opis oceanu, natomiast modele oceanu (OGCM) mają uproszczony model atmosfery. Obecnie coraz częściej używa się modeli sprzężonych opisujących atmosferę i ocean (AOGCM) razem. Modele AOGCM opisują także wymianę strumieni pomiędzy atmosferą i lądem. Te złożone modele starają się opisać wiernie zjawiska w przyrodzie, ale istnieją duże różnice pomiędzy modelami opracowanymi w różnych ośrodkach badawczych.

Ostatnio (2006) modele ogólnej cyrkulacji atmosfery są rozszerzane o moduły uwzględniające chemię atmosfery czy cykl obiegu węgla i nazywane są wtedy modelami systemu Ziemia. Modele takie lepiej opisują emisję gazów cieplarnianych i dają możliwość uwzględnienia różnego rodzaju sprzężeń zwrotnych. Połączone modele klimatu zawierające chemię atmosfery pozwalają na przykład na lepszy opis zachowania dziury ozonowej [1].

Przewidywania klimatu zależą nie tylko od tego jak zmieni się produkcja przemysłowa (jedna z mało zrozumianych obecnie zmiennych używanych do inicjacji modeli) ale także od samego modelu i jego złożoności. Badacze starają się dodawać coraz bardziej realistyczne schematy i poprawiają parametryzację zjawisk fizycznych i chemicznych w modelach, ale nadal są istotne problemy z kompletnym opisem przyrody [2].

Warto zauważyć, że proste model klimatu są tylko bardzo uproszczonym przybliżeniem rzeczywistości i są głównie używane do wyrobienia intuicji na temat zjawisk i ich wzajemnego oddziaływania, np. na temat temperatury Ziemi w równowadze pomiędzy promieniowaniem dochodzącym i odchodzącym.

Siatka na sferze z pokazanym pasmem strefowym. Widać zagęszczenie punktów koło bieguna.

Budowa modeli

Modele ogólnej cyrkulacji atmosfery mają trzy zmienne przestrzenne opisujące wszystkie punkty na ziemi, w atmosferze i oceanie, oraz zmienną czasową dla pół prognostycznych (takich jak prognoza temperatury czy ciśnienia). Modele zawierają moduły opisujące przybliżenie procesów fizycznych takich jak konwekcja czy fizyka chmur; zazwyczaj parametryzowane są procesy, które są podskalowe, czyli takie które zachodzą na obszarach mniejszych niż rozmiar siatki zastosowanej w danym modelu.

Atmosferyczny GCM jest modelem atmosfery i zazwyczaj zawiera także moduł oddziaływania z powierzchnia lądu i oceanu; ale temperatura oceanu (SST) jest zdefiniowana w prosty sposób [3].

GCM ma kilka składowych prognostycznych, które są przewidywane z równań ruchu w każdym kroku czasowym i kilka zmiennych diagnostycznych, które są dedukowane ze zmiennych prognostycznych. Przykładowo ze zmiennych prognostycznych - temperatury, ciśnienia, i wilgotności - można ocenić opad (zmienna diagnostyczna).

Oceaniczne GCM to modele oceanu, w których atmosfera jest opisana w bardzo przybliżony sposób. OGCM może zawierać opis tworzenia się lodu. Typowy model oceanu, np HadOM3, ma siatkę co 1.25 stopnia szerokości i długości geograficznej i 20 poziomów. Taki model ma około 1.500.000 zmiennych.

Sprzężone modele oceanu i atmosfery AOGCM (np HadCM3) używają modeli oceanu i atmosfery razem. Dzięki temu strumienie ciepła i innych wielkości z oceanu do atmosfery i z atmosfery do oceany są prognozowane a nie zakładane. Modele AOGCM są jednymi z najbardziej skomplikowanych programów numerycznych opisujących przyrodę. Liczba zmiennych jest olbrzymia i trudna w analizie. Mimo to modele te są obecnie intensywnie rozwijane.

Przykład siatki geodezyjnej pokrywającej sferę. Podobne siatki są czasami używane do numerycznego rozwiązywania modeli klimatu z tym, że atmosfera jest podzielona na warstwy.

Siatka

Nie można dokładnie (analitycznie) rozwiązać równań ruchu powietrza w ogólnym przypadku. Numeryczne (komputerowe) rozwiązania wymagają dyskretyzacji za pomocą różnych przybliżeń numerycznych, np różnic skończonych, metod spektralnych lub elementów skończonych. Typowa rozdzielczość AGCM to 1-5 stopnia szerokości i długości geograficznej, czyli co około 100-500 km. Model angielskiego Centrum Hadleya (ang. Hadley Centre), tzw. HadAM3 jest na siatce 2.5 stopnia szerokości geograficznej i 3.75 stopnia długości geograficznej (73x96 punktów) oraz 19 poziomów w wysokości od powierzchni ziemi do szczytu atmosfery. Ta dyskretyzacja daje około 500,000 punktów dla podstawowych zmiennych prognostycznych - dwóch horyzontalnych składowych prędkości wiatru, temperatury, i ciśnienia.

Standardowe metody różnic skończonych zastosowane na sferze prowadzą do problemów z wynikami blisko biegunów ze względu na zagęszczanie się punktów sieci blisko bieguna. Prowadzi to do niestabilności numerycznych opisanych tzw. kryterium Couranta–Friedrichsa–Lewy'ego. Podobnie jest z modelami cyrkulacji oceanu, gdzie problem ten można rozwiązać używając siatki obróconej tak, że biegun wypada nad lądem. Metody spektralne nie mają tych problemów i część z GCM jest oparta na metodach spektralnych. Używa się też siatek, w których punkty są wybrane na podstawie rzutu sześcianu na kulę, lub innych specjalnych pokryć kuli (pokrycia geodezyjne).

Używa się też sieci ze zmienną rozdzielczością w szczególnym punkcie ziemi lub obszarze ziemi.

Chmury cumulus są widzialnym przykładem konwekcji atmosferycznej. Jednak modele ogólnej cyrkulacji atmosfery nie są w stanie bezpośrednio symulować zjawisk w skali pojedynczego cumulusa. Dlatego wprowadza się parametryzację konwekcji.

Konwekcja

W naturze atmosfera jest podgrzewana przez promieniowania słoneczne i staje się niestabilna. Konwekcja powstaje gdy ciepłe powietrze unosi do góry. Te procesy zachodzą w skali za małej, żeby je bezpośrednio opisywać w modelach ogólnej cyrkulacji atmosfery. Rozdzielczość siatki w GCM jest około 100 kilometrów, podczas gdy poszczególne elementy konwekcyjne mogą mieć rozmiar kilkuset metrów. Wobec tego procesy konwekcyjne muszą być uproszczone i sparametryzowane. Od początku zastosowań modeli ogólnej cyrkulacji w latach 1950 używa się tego typu przybliżeń. Jedna z pierwszych parametryzacji konwekcji była zaproponowana przez Akio Arakawę i jego studenta Wayne Schuberta w UCLA[4].

czytaj dalej: [2], [3]