معرفی مدل های تغییر اقلیم

مقدمه:

تغییر اقلیم یا تغییرات آب و هوایی به هر تغییر مشخص در الگوهای مورد انتظار برای وضعیت میانگین آب و هوایی اطلاق  می شود که در طولانی مدت برای منطقه ای خاص یا تمامی کره ی زمین رخ دهد. چون در این تعریف صحبت از تغییرات در زمان طولانی شده است لذا برخی از دانشمندان معتقدند که اطلاق عبارت ( تغییر اقلیم) برای ناهنجاری های جوی مناسب نیست و معتقدند که ( نوسانات آب وهوایی ) در حال وقوع است. با این حال بسیاری از آنان به گرم شدن کره زمین معتقدند. با توجه به این مطلب میتوانیم بگوییم که تغییر اقلیم به معنای تغییر میانگین ها در درازمدت است و تغییرات کوتاه مدت به معنای نوسانات آب و هوایی است .

مدل­ های اقلیمی:

1. مدل های آماری و احتمالی
2. مدل های فیزیکی

مدل های آماری احتمالی:

مدل­ های آماری از اهمیت ویژه ­ای برخوردارند. در این گونه مدل­ ها ارزش­ های عددی یک دسته از پدیده ­های موردنظر و ویژگی­ های اصلی آن­ها با نشانه­ ها و نیز روابط بین این پدیده­ ها به روابط بین نشانه­ ها مانند می­شود. در این نوع مدل­سازی یک استراتژی سه مرحله­ ای تشخیص (شناسایی)، برازش و آزمون صحت مدل، طراحی و اجرا میشود که طی آن نیز حدود اعتماد مدل مشخص خواهد شد.

نوع متعارف مدل­ های آماری مشتمل بر گزاره ساده شده­ ای است که می­توان آن را بر طبق فرضیه­ های ریاضی و با توجه به عملکرد مبنایی سیستم تغییر شکل داد تا توالی رویدادهای اقلیمی را در امتداد زمان ـ مکان به دست آورد. این نتایج ریاضی در مقایسه با دنیای واقعی آزمایش و امتحان می­شوند. مطابقت دنیای واقعی با تأثیرات پیش­بینی شده توسط این مدل نشان­دهنده میزان موفقیتی است که در ساختمان مدل وجود دارد.

براساس این مدل­ ها، روابط بین متغیرهای مستقل و وابسته قطعی و مشتمل بر یک دسته قضایای ریاضی است که با استمداد از استدلال ­های منطقی به دست می­آیند. مدل­ های تصادفی رفتار سری­ های اقلیمی را به وسیله یک عبارت ریاضی ساده و با یک میزان اطمینان مشخص توصیف می­کنند.

کاربرد مدل­ های آماری در بازسازی مقادیر گذشته و بازآفرینی مقادیر آینده داده­ ها به تحلیل سری ­های زمانی موسوم است. در این قبیل مدل­ ها تنها براساس الگوی تاریخی گذشته عناصر اقلیمی آینده آن را پیش­بینی می­کنیم؛ یعنی الگوی به دست آمده از مقادیر گذشته تا آینده نیز ادامه خواهد داشت و در طول افق بازآفرینی ـ پیش­بینی، عنصر اقلیمی مورد بررسی همان رفتار را خواهد داشت که در گذشته نزدیک داشته است. در اکثر مواقع این فرض صحیح نبوده و فرآیند مورد بررسی با زمان تغییر می­کند از این جهت انتظار می­رود دقت بازآفرینی و پیش­بینی به سمت انتهای افق بازآفرینی ـ پیش­بینی کاهش یابد. مثلاً پیش­بینی دمای ماه خرداد از پیش­بینی دمای ماه آبان دقیق­ تر اما پیش­بینی دمای ماه اردیبهشت از هر دو ماه مزبور از دقت بیشتری برخوردار است.

2. مدل ­های فیزیکی

در شبیه­ سازی فیزیکی اقلیم به سه مشخصه فیزیکی اقلیم یعنی تابش، دینامیک و فرایندهای سطحی توجه می­شود. مقادیر ورودی، جذب اشعه خورشید و همچنین میزان اشعه مادون قرمز و خروجی در فرایند تابش محاسبه می­شود. انتقال ماده و انرژی بین مدارها و نصف النهارها (حرکت افقی) یا سطوح مختلف جو (حرکت عمودی) در بررسی­های دینامیک مورد تأکید است. فرآیندهای سطحی تبادلات ماده و انرژی بین خشکی­ها، اقیانوس و یخ پهنه ­ها، تغییرات خواص بازتابی سطوح مختلف و مبادلات انرژی بین سطوح مزبور را در برمی­گیرد. مدل­ های فیزیکی را می­توان به لحاظ پهنه مورد بررسی به دو گروه مدل­ های عام (جهانی) و مدل­ های منطقه ­ای طبقه ­بندی کرد .

انواع مدل های آماری واحتمالی :

روش همبستگی

مدل رگرسیونی

مدل های سری زمانی

مدل های تابع انتقال

مدل های شبکه عصبی مصنوعی

انواع مدل های فیزیکی :

عام

منطقه ای

مدل های عام :

الف-مدل­ های موازنه انرژی (EBM)

این مدل اثر تابش را بر دمای سطحی در معرض توجه قرار می­دهد ولی قادر به نمایش محتویات دینامیکی دیگر سیگنال­ های اقلیمی و تغییرپذیری عناصر اقلیمی نیست. همچنین به برخی فرآیندهای مؤثری نظیر بازخورد حاصل از بخارآب، یخ­ های دریایی واقعی نمی­گذارد. در این گونه مدل ­ها تنها رابطه بین الگوی تابش و پاسخ دمای سطحی عرضه می­گردد ولی فرآیندهای چرخش اتمسفری که منجر به کاهش گرادیان دمایی می­شود، در این مدل­ ها نادیده گرفته می­شود. در این قبیل مدل­ ها اختلافات عمودی دما و جریانات تشعشعی زمین در نظر گرفته نمی­شود؛ بنابراین بازآفرینی یا پیش­بینی متغیرهای اقلیمی براساس دمای سطحی و بر پایه فرمول استفان بولتزمن انجام می­گیرد. همچنین این گونه مدل­ها به شکل­گیری ابر و نقش آن­ها بر اقلیم کمتر توجه دارند. بنابراین مدل ­های مزبور ساده ­ترین مدل­ های فیزیکی اقلیم به شمار می­آیند

مدل­ های موازنه انرژی صفر یا یک بعدی هستند. مدل صفر بعدی زمین را به عنوان نقطه­ای در فضا در نظر می­گیرد در این مدل­ ها متوسط دمای جهانی به عنوان دمای مؤثر زمین به حساب می­آید. در مدل­های یک بعدی دمای کره زمین و همچنین اقیانوس­ ها در امتداد مدارات ملاحظه و تقسیم­ بندی میگردد .

مدل­ های موازنه انرژی تغییرات دمای سطح زمین (اقیانوس ­ها) را در عرض­های جغرافیایی مختلف پیش­­بینی می­کنند.

ب-مدل ­های تابش همرفتی (RCM)

مدل­ های تابشی ـ همرفتی، براساس میانگین دمای کره زمین و به منظور بازسازی و پیش­بینی آن بر اساس مقادیر فرآیندهای تابش و همرفت محاسبه می­شود. به دلیل ویژگی ذاتی این قبیل مد ل­ها، جریانات حرارت ـ تابشی برای لایه ­های هم دمای اتمسفر برآورد می­گردد.  در این گونه مدل ­ها جو به لایه­ هایی تقسیم شده و مقادیر تابش خالص (خروجی ـ ورودی) بر اساس مقادیر ابرناکی و آلبدوی سطحی در میانه هر لایه محاسبه و در پایان نیمرخ دمای تابشی مشخص می­شود. مدل­ های تابشی ـ همرفتی بر اساس قوانین بنیادی زیر بنا نهاده شده­اند :

• برابری مقادیر تابش ورودی (موج کوتاه) و خروجی (موج بلند) زمین در بلندمدت
• توصیف ویژگی­ های رطوبتی در لایه­ های عمودی جو
• عدم وجود انقطاع حرارتی بین لایه­ های عمودی جو
• عدم عدول مقادیر لپس ریت از مقادیر بحرانی (این مقدار عمدتاً 5/6 درجه برای هر کیلومتر است)

مدل­های تابشی ـ همرفتی نیمرخ عمودی دما را محاسبه می­کنند که معمولاً به صورت میانگین سیاره­ای محاسبه می­شوند.

ج-مدل­ های دوبعدی آماری ـ دینامیکی (SDM)

در این مدل­ ها فرآیندهای سطحی و دینامیک در قالب میانگین­ های ناحیه­ ای و در جهت قائم بررسی می­شود. این مدل­ ها در واقع ترکیبی از مدل­ های موازنه انرژی و مدل­ های تابشی ـ همرفتی به حساب می­آیند. در این مدل­ ها انتقال ماده و انرژی بین مدارات محاسبه شده و بر اساس بنیادهای تئوری و تجارب علمی جریانات چرخه ­ای بین مدارات برآورده می­شود. شناسایی و پیشرفت در شناخت موج­های بارو کلینیک نتیجه مطالعه مدل­های دوبعدی است؛ اما مهم­ترین نقص این مدل­ها در این است که به تغییرات درون هر مدار توجه کمی ­دارد.

د-مدل­ های گردش عمومی جو (GCM)­

مدل­ های جهانی اقلیم (GCMs) برای ارزیابی تغییرات اقلیمی طراحی شده­ اند. این مدل­ ها خصوصیات فیزیکی، چرخش­ ها و حرکات اتمسفری را تحلیل می­نمایند و به دنبال آن متغیرهای هواشناسی را در شبکه­ های خاص شبیه­سازی می­کنند اساس مدل­ های GCM بر مبنای قوانین اساسی فیزیک جو قرار دارد و به مدل ­های گردش عمومی جو نیز مشهورند . همه عوامل اقلیمی مورد توجه، در مدل­ های گردش عمومی جو منظور شده است. برای مثال توجه به سلسله مراتب و برهم کنش اقیانوس، جو، یخ­های دریایی و سطوح خشکی­ها در این مدل­ها سرلوحه مدل­سازی است و خود بر سه نوع چرخش عمومی جو (AGCM)­  چرخش عمومی اقیانوس (OGCM) و مزدوج (AOGCM) تقسیم می­شوند. در مدل­ های گردش عمومی جو معادلات توضیح دهنده تکامل زمانی دما، باد، بارش، بخارآب و فشار در ارتباط با لایه نازک اتمسفر (حدود 50 متر) می­باشد. در مدل­ های چرخش عمومی اقیانوسی، توجه اساسی به واکنش اقیانوس ­ها و دریاهای در مقابل افزایش CO₂ است. با این وجود توجه به گردش حرارتی ـ نمکی و احتمال تغییر در تولیدات زیستی نیز در معرض توجه است. واضح است که شرایط مزبور تحت تأثیر توزیع زمانی ـ مکانی پهنه­ های یخی اقیانوسی است. در مدل­ های چرخش عمومی مزدوج (جوی ـ اقیانوسی)، متغیرهای مربوط به چرخش عمومی جو ـ اقیانوس به همراه روابط متقابل اکوسیستم­ های خشکی و جو، روابط متقابل خشکی ـ اقیانوس، اکوسیستم ­های اقیانوسی با جو و مشخصات شیمیایی و فیزیکی جوو نیز سیستم­ های انسانی در معرض توجه قرار می­گیرد.

مدل­ های چرخشی عمومی جو برای بازسازی اقلیم گذشته یا پیش­بینی اقلیم آینده استفاده میشود. این قبیل مدل­ ها را به مدل­ های جهانی اقلیم (GCM) معروف کرده است. هدف مدل­  های GCM محاسبه شاخص­ه ای سه بعدی اقلیم در شبکه­ های مشخص است. قدرت تفکیک افقی مدل­ های AGCM بیش از 100 کیلومتر ؛ و قدرت تفکیک عمودی 10تا 30 متر است. مدل­ های مزدوج با پیچیدگی بیشتر و در نظر گرفتن ابرهای منفرد یا همرفت یا انتقال حرارت از مرزها در مقیاس متوسط با قدرت تفکیک 125 تا 250 کیلومتر و قدرت عمودی 200 تا 400 متر طراحی می­شوند. گام­های زمانی برای این مدل­ها 30 دقیقه­ای است .

معادلات ریاضی بر اساس قوانین بنیادین فیزیک به هر شبکه ارزشی رقومی داده و به وسیله نرم ­افزارهای کامپیوتری انتقال ماده و انرژی در سطوح مختلف افقی و عمودی هر شبکه و همچنین از شبکه ­ای به شبکه دیگر را محاسبه نموده و نیز فرآیندهای فیزیکی حاصل از این نقل و انتقال شبیه­سازی می­شود. در واقع همه فرایندهای دینامیک و ترمودینامیک، انتقال انرژی و ماده در شبکه ­ها به مدل کشیده می­شود.

معادلات اساسی برای حرکت افقی و عمودی (قانون دوم نیوتن، بقاء گشتاور)، بقاء انرژی (قانون اول ترمودینامیک)، معادله حالت (قانون گاز ایده­آل)، ویژگی ­های آب و بقاء ماده و همچنین زمان تأخیر، اصطکاک سطحی و تشکیلات ابری برای دوره­ های زمانی و سطوح متفاوت جوی در این مدل ­ها مورد توجه قرار می­گیرد. مدل­ های GCM علاوه بر مقادیر میانگین ناحیه­ای به اندازه مدل­ های تابشی ـ همرفتی به تابش در طیف­ های مختلف اهمیت می­دهند. این مدل­ ها گاهی لایه اختلاط اقیانوس ­ها را نیز به عنوان یک خرده مدل در نظر می­گیرند.

مدل­ های جفت شده­ ی جوی ـ اقیانوسی (AOGCM)

مدل­ های AOGCM بر پایه قوانین فیزیکی که به وسیله روابط ریاضی ارائه می­شوند، استوار  می­باشند. این روابط در شبکه سه بعدی در سطح کره زمین حل می­گردند. به منظور شبیه­سازی اقلیم کره زمین فرایندهای اصلی اقلیمی (اتمسفر، اقیانوس، سطح زمین، یخ کره و زیست کره) در مدل­ های فرعی جداگانه شبیه­سازی می­شوند. سپس تمام مدل­ های فرعی مربوط به اتمسفر و اقیانوس با یکدیگر جفت شده و مدل ­های گردش عمومی اقیانوس ـ اتمسفر را تشکیل می­دهند. در برنامه­ های فرعی، جابجایی مومنتوم، گرما و رطوبت در مقیاس­های بزرگ، شبیه­سازی می­گردند. دقت مکانی افقی مدل­ ها در سطح خشکی­ های کره زمین نوعاً 250 کیلومتر و دقت مکانی قائم آن حدود 1 کیلومتر می­باشد. در حالی که دقت مکانی قائم در اقیانوس­ ها 400 ـ 200 متر و دقت مکانی افقی آن 250 ـ 125 کیلومتر می­باشد. کمترین مقیاس زمانی برای حل معادلات 30 دقیقه است، در حالی که فرآیندهای فیزیکی زیادی نظیر فرآیندهای مربوط به ابرها و اقیانوس ­ها در مقیاس ­های زمانی کمتری اتفاق می­افتند که بعضی از این فرآیندها را نمی­توان به سادگی شبیه­سازی نمود. در این حالت با در نظر گرفتن رابطه فیزیکی مربوط با متغیرهای بزرگ مقیاس، به طور تقریبی اثرات میانگین آن­ها، در مدل لحاظ می­شود که به آن پرمایش می­گویند. مدل­ های AOGCM در چند دهه اخیر با افزایش قدرت رایانه­ها توسعه چشمگیری پیدا کرده اند. در حال حاضر یکی از معتبرترین ابزارها برای تولید سناریوهای اقلیمی، مدل­ های سه بعدی جفت شده گردش عمومی جو ـ اقیانوس (AOGCM) می­باشد. نسخه­ های جدید مدل­های AOGCM  دو نوع شبیه­سازی در سطح مقادیر اقلیمی انجام داده­اند. در نوع اول مقدار گازهای گلخانه­ای در طول زمان شبیه­سازی در سطح مقادیر مشاهده ­ای آن در سال 1860، ثابت نگه­داشته می­شود. در این شبیه­سازی که به اجرای کنترل مشهور می­باشد، معمولاً متغیرهای اقلیمی در یک دوره 1000ساله شبیه­سازی می­شوند. بدیهی است، به دلیل ثابت ماندن مقادیر گازهای گلخانه­ ای و دیگر عوامل خارجی (مانند تابش خورشیدی) در این شبیه­سازی­ ها سری زمانی متغیر مورد مطالعه، تنها تحت تأثیر نیروهای درونی سیستم اقلیم قرار گرفته و نتیجتاً مشخص کننده تغییرات درونی سیستم اقلیم می­ باشند. در صورتی که فرض کنیم در دوره­ های آتی تغییری در میزان عوامل خارجی (تابش خورشیدی و فعالیت­های آتش­فشانی) رخ ندهد، می­توان گفت این شبیه­سازی بیانگر تغییرات طبیعی اقلیم نیز می­باشد. در شبیه­سازی دیگر به منظور بررسی وضعیت گذشته اقلیم کره زمین، مقادیر مشاهده­ای گازهای گلخانه  ­ای، نوسانات تابش خورشیدی و ذرات معلق ناشی از فوران­های آتش­فشانی تا سال 2000، به عنوان ورودی به مدل­ های AOGCM داده شده و متغیرهای اقلیمی در این دوره به صورت سری زمانی (عمدتاً ماهانه) شبیه­سازی  می­گردند. مقایسه نتایج مدل­ های مختلف با داده ­های مشاهده­ ای میانگین سالانه دما و بارندگی، میانگین فصلی دما و بارندگی، پدیده­ های جوی نظیر : انسو، مانسون، ال­نینو، نائو و رخدادهای استثنایی نظیر دما و بارندگی حدی نشان از معتبر بودن شبیه­سازی انجام شده توسط این مدل­ها می­باشند.پس از شبیه­سازی متغیرهای اقلیمی در دوره­ه ای گذشته توسط مدل­های AOGCM ، به منظور شبیه­سازی وضعیت این متغیرها در دوره ­های آتی، نیاز به معرفی وضعیت انتشار گازهای گلخانه­ای در دوره ­ها آتی به این مدل ­ها می­باشد بدین منظور ابتدا میزان انتشار گازهای گلخانه­ ای ارائه شده و این مقادیر به عنوان ورودی برای مدل­ های AOGCM ارائه می­شوند. نتایج حاصل از شبیه­سازی مدل­ های AOGCM ، سری زمانی متغیرهای اقلیمی را تا سال 2100 ارائه می­دهند .

منابع:

الطافی ن، 1396، پروژه کارشناسی، معرفی مدل های بررسی کننده تغییر اقلیم، دانشکده محیط زیست کرج.

jest.srbiau.ac.ir

sdsm.org.uk

مشاهده ادامه این مطلب فقط برای اعضای سایت فراگیر علمی تخصصی محیط زیست فراهم می باشد. خواهشمنداست جهت مشاهده کامل این نوشته، ثبت نام کنید و به حساب کابری خود وارد شوید. ثبت نام در اینجا کاملاً رایگان است.

مشاهده ادامه این مطلب فقط برای اعضای سایت فراگیر علمی تخصصی محیط زیست فراهم می باشد. خواهشمنداست جهت مشاهده کامل این نوشته، ثبت نام کنید و به حساب کابری خود وارد شوید. ثبت نام در اینجا کاملاً رایگان است.