Ilmastomalli

Ilmastomalli on tavallisimmin tietokoneeseen ohjelmoitu fysiikan lakeihin pohjautuva matemaattinen järjestelmä, jolla jäljitellään eli simuloidaan ilmastoa eli pitkän aikavälin lämpötilaa, sademäärää, tuulia ja muita ilmastollisia asioita.

Ilmastomalleissa simuloidaan laskennallisesti maan ilmakehän, merien, maan ja jään vuorovaikutuksia. Niitä voidaan käyttää muun muassa sään dynamiikan, ilmastojärjestelmän tai ilmastonmuutosten tutkintaan. 

Ilmastomalli vaatii edes kohtuullisen suureen tarkkuuteen pääsemiseksi supertietokoneen tasoisen laitteiston, vaikka matalan erotuskyvyn malleja voi ajaa melko vaatimattomissa tietokoneissa.

Käytännössä ilmastoon vaikuttavien tekijöiden siirtäminen tietokoneelle on vaikea tehtävä, ja kaikki käytössä olevat ilmastomallit näyttävät ainakin hieman toisistaan poikkeavia lukemia.

Eniten keskustelua ovat herättäneet mallit joilla tutkitaan hiilidioksidin vaikutusta ilmaston lämpötilaan. Nämä mallit poikkeuksetta ennustavat hiilidioksidin aiheuttavan ilmaston lämpenemistä.
Ilmastomalleille on myös koetettu laskea muinaisten geologisten kausien, esimerkiksi jääkauden ja liitukauden ilmastoja. Voidaan myös laskeskella jonkin kuvitteellisen planeetan ilmastoja.

Ilmastomalli 

Ilmastomalleja on erilaisia. Käytännössä nykyiset ilmastomallit toteutetaan tietokoneohjelmina ja ne saattavat muodostua monimutkaisiksi. Yksinkertaisimmillaan malli voi olla yksipistemalli, joka laskee pisteeseen saapuvaa ja sieltä lähtevää energiaa. Tätä mallia voidaan laajentaa monin tavoin. Monimutkaisimmat maailmanlaajuiset ilmastomallit pyrkivät ratkaisemaan ilmastojärjestelmän täydelliset fysikaaliset liikeyhtälöt numeerisesti ja huomioimaan kaikki ilmastojärjestelmän dynamiikan kannalta olennaiset tekijät kuten ilmakehän ja meren vuorovaikutuksen.

Jo 80-luvun alun ilmastomalleilla pystyttiin kohtalaisen tarkasti laskemaan esimerkiksi vuotuinen keskilämpötila jollain Maan seudulla.

Tietokoneella toteutetussa ilmastomallissa on yleensä Maan pintakerroksen ja lumen malli, valtamerien ja merijään malli sekä ilmakehämalli, jotka vuorovaikuttavat keskenään..
Käytännössä esimerkiksi maaperän ja kasvillisuuden mallit ovat monesti melkoisen pelkistettyjä ja epätarkkoja.

2000-luvun puolivälissä käytettyjä ilmastomalleja olivat esimerkiksi Kiinan BCC-CM1, Norjan BCCR-BCM 2.0, Kanadan CGCM 3.1 (T47), Ranskan CNRM-CM3, Saksan ECHAM5/MPI-OM, Yhdysvaltain GFDL-CM 2.1, Japanin MICROC 3.2 (hires) ja Ison-Britannian UKMO-HadGEM1.

Tunnettuja koko maapallon ilmakehän kiertoa simuloivia eli GCM-tyyppisiä ilmastomalleja ovat esimerkiksi MPIM, CCSM ja HadCM3.

Suomalaiset tutkijat ovat olleet mukana kehittämässä saksalaista ECHAM5-mallia.

Useimmiten ilmastomallien ajaminen vaatii raskaan sarjan tietokoneen tai monia yhteen liitettyjä tietokoneita. Vuosina 2002–2004 oli maailman nopein tietokone japanilaisten rakentama Earth Simulator, jolla laskettiin kasvihuoneilmiön vaikutuksia. Koneen laskentakyky oli 35,86 TFLOPS. Sen laskentaruudukon tarkkuus oli 10x10 km. Vertailun vuoksi esimerkiksi englantilaisten käyttämässä HadCM3-mallissa on noin 300 km tarkkuus.

Esimerkki yksiulotteisesta mallista 

Yksinkertaisimmillaan Maan säteilytasapainoa kuvaavaa yhtälöä voidaan pitää ilmastomallina.

missä vasen puoli edustaa Auringosta saatavaa energiaa, oikea puoli Maan luovuttamaa energiaa Stefanin-Boltzmannin lain mukaan. S on aurinkovakio (1367 W·m-2), a Maan albedo (noin 0,3), r on Maan säde (6,371×106m), σ on Stefanin-Boltzmannin vakio (5.67×10-8 J·K-4·m-2·s-1) ja ε on Maan efektiivinen emissiivisyys (0,612). Efektiivisen emissiivisyyden käyttäminen huomioi kasvihuoneilmiön.

Yhtälöstä voidaan supistaa vakio πr^2 pois. jolloin se sievenee muotoon

Nyt voidaan selvittää lämpötila T, jossa tuleva ja lähtevä säteily on tasapainossa. Kun tämä ratkaistaan yhtälöstä saadaan 288 K.

Tämän mallin voi fysiikkaan riittävästi perehtynyt ratkaista helposti käsin, mutta muut ilmastomallit ovat käytännössä paljon yllä esitetty monimutkaisempia. Tällaisia idealisoituja malleja voidaan edelleen laajentaa monin tavoin, mutta toinen vaihtoehto on siirtyä monimutkaisempiin täydellisiin virtausmalleihin.

Virtausmallit

Ilmastomallin kolme pääosaa 

Maailmanlaajuisessa ilmastomallissa on osionsa ilmakehälle, valtamerille ja maaperälle.

Ilmastomallin ilmakehäosion osia 

Ilman liikeyhtälö, Newtonin 2. laki F=Ma
Hydrostatiikan perusyhtälö eli ilmanpaineen lasku ylöspäin mentäessä
Lämpöopin yhtälö, ilman jäähtyminen, lämpeneminen, latentti lämpö, haihtuminen jne
Jatkuvuusyhtälö, massan säilyminen, ilman virtaukset kasvattavat ja harventavat ilmaa
Kaasun tilanyhtälö
Vesihöyryn määrä

Katso myös
Mallintaminen
 Ilmastonmuutos
 Ilmaston lämpeneminen
 Maan säteilytasapaino

Lähteet

Aiheesta muualla 

University Corporation for Atmospheric Research - NCAR MM5 Modelo a mesoescala
Hadley Centre - general info on their models
 NCAR/University Corporation for Atmospheric Research Community Climate System Model (CCSM)
 Do it yourself climate prediction
 A NASA/GISS global climate model (GCM) with a user-friendly interface for PCs and Macs 
 CCCma model info and interface to retrieve model data 

Ilmasto
Laskennallinen tiede