全球氣候模式

氣候模式是由描述物理、流體運動和化學的基本定律的微分方程組所構成的系統。為了運行一個模式，科學家將地球劃分成許多三維網格，應用這些基本方程，以及評價結果。大氣模式在每個網格里計算風、熱傳輸、輻射、相對溼度和地表水文，還要評估與相鄰網格間的相互作用。風、熱傳輸和其他變量僅僅被用來計算一個最終結果，因此它們不被要求對應真實世界裡的情況。在有些數值方案裡虛擬的變量被使用。
大氣環流模式（General Circulation Model，GCM）是描述行星大氣或海洋的數學模型。它是基於旋轉球體的納維－斯托克斯方程，包括熱力學項來反映很多能量源（比如輻射、潛熱）。這些方程式用於模擬地球大氣或海洋的複雜計算機程序的基礎。大氣和海洋環流模式（AGCM和OGCM）、海冰、陸地表面過程是全球氣候模式（Global Climate Model）的關鍵成分。大氣環流模式和全球氣候模式被廣泛的應用與天氣預報、理解氣候、預測氣候變化等方面。用於研究十年到百年時間尺度的氣候的模式最早是由真鍋淑郎和Kirk Bryan (oceanographer)在位於普林斯頓的地球物理流體動力學實驗室裡創造的。這些需要大量計算的數值模式集成了流體力學、化學、有時還有生物學的各類方程。

**對命名的註解**
“GCM”這個縮寫經常被用來代指“全球氣候模式”或“大氣環流模式”。雖然這兩類模式不完全一樣，但大氣環流模式通常是用來模擬氣候的工具。因此這兩個術語有時在討論Climate model時也常被交替使用。

**大氣環流模式的歷史**
1956年諾曼·菲利普斯（Norman Phillips）提出了一個可以真實描述對流層的月和季度天氣模式的數學模型，該模型成為第一個成功的Climate model。緊接著菲利普斯的工作，幾個研究小組開始創造“大氣環流模式”。第一個包含有海洋和大氣過程的大氣環流模式是在20世紀60年代由NOAA的地球物理流體動力學實驗室發展起來的。到了20世紀80年代早期，美國的美國國家大氣研究中心已經發展出社群大氣模式，其後還得到不斷的完善，直到21世紀還在使用。在1996年，模式中開始考慮和模擬土壤和植被類型，從而得到更接近真實的預報。目前，海洋-大氣相互耦合的氣候模式被用來研究氣候變化，比如Hadley Centre for Climate Prediction and Research開發的HadCM3模式。直到20世紀80年代中期，重力波的重要性才被意識到並在模式中考慮。如今，為了正確的模擬區域和全球尺度的大氣環流，全球氣候模式必須包括重力波，即使重力波的寬譜使得結合他們很複雜。

**耦合模式**
實際的大氣與地球表面之間有交互作用的存在，為了更接近實際狀況而演化出耦合模式(couple model)。尤以佔地球面積最大的海洋，溫度受到大氣作用而每分每秒都在變化，海面的溫度也會反饋給大氣。大氣模式預報一個時間步長後將結果傳達給海洋模式，海洋模式接著預報一時間步長並回傳，兩模式彼此循環預報成為海氣耦合環流模式（CGCM或AOGCM）。而海洋模式、海冰模式、路面蒸散模式、河流徑流模式...等，由許多模式構成整個全球耦合環流模式便成了完整的氣候模式基礎，在此架構下，便可以用來探討氣候變遷的反應(例如Sun和Hansen，2003)。

**模式結構**
三維環流模式將流體運動的方程離散化，然後對時間做向前積分。這些模式也會包含對一些尺度過小而不能直接解析的過程（比如對流）的參數化。隨著對模式要求越來越多，更復雜的模式還可能包括代表碳循環、氣溶膠與化學元素、碳循環、水循環、陸地使用種類…等，未來更可能將生物也考慮進去。
簡化大氣環流模式（SGCM），縮小版的GCM，一般包含一個動力核心，將物質屬性（比如溫度）和動力屬性（比如壓力和速度）聯繫起來。比如，求解原始方程組的程序就是例子。被給的能量輸入到模式中，能量以摩擦力的形式耗散，乃至波數最高的那些atmospheric wave被衰減的最厲害。這樣的模式可以被用來在簡化的框架裡研究一些大氣過程，但不適合預測將來的氣候。

**參考文獻**

**外部鏈接**
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