気候モデル

数値気候モデル（または気候システムモデル、または地球システムモデル）は、気候の重要な要因の相互作用をシミュレートできる数学モデルです。これらの要因は、大気、海洋、地表面、氷です。科学者は気候モデルを使用して、気候システムのダイナミクスを研究し、将来の気候と気候変動の予測を行います。気候モデルは、定性的（つまり数値的ではない）モデルであることもあり、起こりうる未来についての記述的な物語を含む場合があります。^{[ 1 ]}

気候モデルは、太陽からの入射エネルギーと地球からの放出エネルギーの両方を考慮に入れています。このバランスが崩れると、気温が変化します。太陽からの入射エネルギーは、主に可視光線と短波（近）赤外線といった短波電磁放射の形をとります。放出エネルギーは、長波（遠）赤外線電磁エネルギーの形をとります。これらのプロセスは、温室効果の一部です。

気候モデルは複雑さの点で様々です。例えば、単純な放射熱伝達モデルでは、地球を一点として扱い、放出されるエネルギーを平均化します。これは垂直方向（放射対流モデル）と水平方向に拡張できます。より複雑なモデルとしては、大気・海洋・海氷を結合した地球規模の気候モデルがあります。これらのモデルは、物質移動、エネルギー移動、放射交換に関する完全な方程式を解きます。さらに、他の種類のモデルを相互にリンクさせることもできます。例えば、地球システムモデルには、土地利用や土地利用の変化も含まれています。これにより、研究者は気候と生態系の相互作用を予測することができます。

気候モデルは、物理学、流体運動、化学の基本法則に基づいた微分方程式のシステムです。科学者は地球を3次元グリッドに分割し、そのグリッドに基本方程式を適用します。大気モデルは、各グリッド内の風、熱伝達、放射、相対湿度、地表水文学を計算し、隣接する点との相互作用を評価します。これらは海洋モデルと組み合わされ、海流の変化や地球規模の海洋の はるかに大きな熱貯蔵容量によって異なる時間スケールで発生する気候変動をシミュレートします。変化の外部要因も適用できます。氷床モデルを含めることで、海面上昇などの長期的な影響をより適切に考慮できます。

複雑な気候モデルは、極端な気象現象の頻度、強度、影響において人為的な気候変動が果たす役割を特定し定量化する科学である、極端な現象の帰属分析を可能にする。^{[ 2 ] [ 3 ]}帰属分析科学は、そのような現象が人為的な地球温暖化によって説明できるか、またはそれと関連しているか、そして単にランダムな気候変動^{[ 4 ]}や自然の気象パターン^{[ 5 ]}によるものではないかを判断することを目的としている。

気候モデルの開発、実装、利用が行われる機関には、大きく分けて3つの種類があります。

• 国立気象機関：ほとんどの国立気象機関には気候学部門がある。
• 大学：関連する学部としては、大気科学、気象学、気候学、地理学などが挙げられる。
• 国内外の研究機関：例としては、米国コロラド州ボルダーにある国立大気研究センター（NCAR ）、米国ニュージャージー州プリンストンにある地球物理流体力学研究所（GFDL ）、ロスアラモス国立研究所、英国エクセターにあるハドレー気候予測研究センター、ドイツ・ハンブルクにあるマックス・プランク気象研究所、フランスの気候環境科学研究所（LSCE）などが挙げられる。

大規模な気候モデルは不可欠ですが、完璧ではありません。現実世界（何が起こっているのか、なぜ起こっているのか）にも引き続き注意を払う必要があります。地球規模のモデルは、特に宇宙（衛星）からのすべての観測を同化し、何が起こっているのかの包括的な分析を作成するために不可欠であり、その後、予測/予測を行うために使用できます。単純なモデルは広く誤用されており、水循環を含めないなどの単純化を認識していません。^{[ 6 ] [ 7 ]}

1960年代に大規模な計算施設が設立される以前は、気候システムの完全な3次元空間と時間でのシミュレーションは非現実的でした。地球の古気候状態を変化させた可能性のある要因を理解し始めるには、システムの構成要素と次元の複雑さを軽減する必要がありました。19世紀後半に、大気に対して、流入/流出エネルギーのバランスをとる単純な定量的モデルが初めて開発されました。^{[ 11 ]}他のEBMも同様に、地球大気システムの個々のカラムにエネルギー保存の 制約を適用することにより、表面温度の経済的な記述を目指しています。 ^{[ 12 ]}

EBMの重要な特徴としては、概念的に比較的単純であることと、分析解を生成できる場合があることが挙げられます。^{[ 13 ]： 19}一部のモデルは、海洋、陸地、または氷の特徴が表面収支に及ぼす影響を考慮しています。その他には、水循環または炭素循環の一部との相互作用が含まれています。これらのモデルやその他の縮小システムモデルは、特にシミュレーションと理解の間のギャップを埋めるために、GCMを補完する特殊なタスクに役立ちます。^{[ 14 ] [ 15 ]}

ゼロ次元モデル

ゼロ次元モデルでは、地球を空間上の点として捉えます。これは、ボイジャー1号が1990年に撮影した「ペールブルードット」の写真や、天文学者が非常に遠方の天体を眺める様子に相当します。この無次元的な見方は非常に限定的ではありますが、物理法則を未知の天体に対して一括して適用したり、天体の主要な特性が分かっている場合には適切な集約的な方法で適用したりできるという点で有用です。例えば、天文学者は、太陽系のほとんどの惑星が、ガス状の大気に囲まれた何らかの固体または液体の表面を持っていることを知っています。

地表と大気を組み合わせたモデル

地球の放射平衡の非常に単純なモデルは

${\displaystyle (1-a)S\pi r^{2}=4\pi r^{2}\epsilon \sigma T^{4}}$

どこ

• 左側は、太陽から入射する短波の総電力（ワット単位）を表します。
• 右側は、ステファン・ボルツマンの法則から計算された、地球から放出される長波の総電力（ワット単位）を表しています。

定数パラメータには以下が含まれます

• Sは太陽定数、すなわち単位面積あたりの入射太陽放射量であり、約1367 W・m⁻²^である。
• rは地球の半径で、約637万1000 メートル （m）
• πは数学定数（3.141...）
• ${\displaystyle \sigma }$はステファン・ボルツマン定数で、約 5.67×10⁻⁸ ^J・K⁻⁴^・m⁻²^・s⁻¹^です。

定数$\displaystyle \pi \,r^{2}}$を因数分解することで、平衡状態を表す零次元方程式が得られる。

${\displaystyle (1-a)S=4\epsilon \sigma T^{4}}$

どこ

• 左側は、太陽からの入射短波エネルギー束をW・m⁻²単位で表している^。
• 右側は、地球から放出される長波エネルギー束をW・m⁻²で表してい^ます。

惑星固有の残りの可変パラメータには以下が含まれます。

• ${\displaystyle a}$は地球の平均アルベドであり、0.3と測定されている。^{[ 16 ] [ 17 ]}
• ${\displaystyle T}$は地球の平均表面温度であり、 2020年時点で約288ケルビン（K）と測定されている^{[ 18 ]。}  
• ${\displaystyle \epsilon }$は、地球の表面と大気（雲を含む）を合わせた実効放射率です。0から1までの値を取り、平衡状態から計算すると約0.61となります。ゼロ次元の扱いにおいては、すべての観測角度における平均値に相当します。

この非常に単純なモデルは、非常に参考になります。たとえば、太陽定数、地球のアルベド、または地球の実効放射率の変化に対する温度感度を示します。実効放射率は、宇宙空間に逃げる熱放射と地表から放出される熱放射の比率であるため、大気温室効果の強さも測定します。^{[ 19 ]}

計算された放射率は、入手可能なデータと比較できます。地表の放射率はすべて 0.96 ～ 0.99 の範囲にあります^{[ 20 ] [ 21 ]} (ただし、0.7 程度まで低い場合もある小さな砂漠地帯を除く)。しかし、地球表面の約半分を覆う雲は、平均放射率が約 0.5 ^{[ 22 ]} (これは、雲の絶対温度と平均地表絶対温度の比の 4 乗で減らす必要があります) で、平均雲温度は約258 K (-15 °C; 5 °F)です^{[ 23 ]}。 これらすべてを適切に考慮すると、地球の実効放射率は約 0.64 (地球の平均温度285 K (12 °C; 53 °F) ) になります。      

地表層と大気層が分離されたモデル

機能的に異なる大気層を地表から分離した無次元モデルも構築されている。最も単純なのは、ゼロ次元の1層モデル^{[ 24 ]}であり、 これは任意の数の大気層に容易に拡張できる。地表と大気層はそれぞれ対応する温度と放射率の値で特徴付けられるが、厚さはない。層間の理想化された界面で放射平衡（すなわちエネルギー保存則）を適用すると、解ける連立方程式が得られる^{[ 25 ] 。}

これらの多層EBMは、多区画モデルの例です。地球表面と対流圏で観測された平均温度により近い値を推定できます。^{[ 26 ]} 同様に、温室効果の根底にある放射熱伝達プロセスをさらに詳しく説明します。この現象を1層モデルのバージョンを使用して定量化したのは、1896年にスヴァンテ・アレニウスが初めて発表しました。 ^{[ 11 ]}

質問の性質と関連する時間スケールに応じて、一方の極には概念的で帰納的なモデルがあり、もう一方の極には、現在実現可能な最高の空間的および時間的解像度で動作する一般循環モデルがあります。中間的な複雑さのモデルは、そのギャップを埋めます。1つの例は、Climber-3 モデルです。その大気は、7.5° × 22.5° の解像度と半日の時間ステップを持つ 2.5 次元統計力学モデルです。海洋は、3.75° × 3.75° のグリッドと 24 の鉛直レベルを持つMOM-3 ( Modular Ocean Model ) です。 ^{[ 35 ]}

ボックスモデルは、複雑なシステムを簡略化したもので、流れによって連結されたボックスに還元します。ボックスには、均一に混合されていると仮定される物質とエネルギーの種の貯蔵庫（つまり在庫）が含まれています。したがって、ボックス内の任意の種の濃度は、いつでも均一です。ただし、特定のボックス内の種の量は、入力フローまたは出力フローによって時間の関数として変化する可能性があり、ボックス内の種の生産、消費、または変換によっても変化する可能性があります。^{[ 36 ] [ 37 ]}

単純なボックスモデル、つまり、特性（例えば体積）が時間とともに変化しない少数のボックスからなるボックスモデルは、種の動態的および定常状態の存在量を記述する解析式を導出するのにしばしば役立ちます。これらの式は支配方程式と呼ばれ、保存則（例えばエネルギー保存則、質量保存則など）から導出されます。相互作用する種と方程式のより大きなセットは、システムの挙動を記述するために数値的手法で評価されます。^{[ 38 ]}

ボックスモデルは、環境システムや生態系をシミュレートするために広く使用されています。1961年、ヘンリー・ストメルは、大規模な海洋循環の安定性を研究するために、単純な2ボックスモデルを初めて使用しました。^{[ 39 ]}より複雑なモデルでは、海洋循環と炭素循環 の相互作用が調べられています。^{[ 40 ]}

世界気象機関（WMO）が主催する世界気候研究計画（​​WCRP）は、世界中の気候モデリングに関する研究活動を調整している。

2012年の米国国家研究評議会の報告書では、大規模で多様な米国の気候モデリング事業が、より統一されたものへと進化する方法について議論された。^{[ 61 ]}報告書によると、米国のすべての気候研究者が共有する共通のソフトウェアインフラストラクチャを開発し、毎年気候モデリングフォーラムを開催することで効率性を高めることができるという。^{[ 62 ]}

• 大気再解析
• 化学物質輸送モデル
• 大気放射測定（ARM）（米国）
• 気候データ交換
• Climateprediction.net
• 数値天気予報
• 静的大気モデル
• 熱帯低気圧予測モデル
• コンピュータシミュレーションモデルの検証と妥当性確認
• CICE海氷モデル

• タイムライン：気候モデリングの歴史 CarbonBrief、2018年1月16日
• 次世代気候モデルの結果が重要な理由 CarbonBrief、ベルチャー、ブーシェ、サットンによるゲスト投稿、2019年3月21日

ウェブ上の気候モデル：

• NCAR/UCAR地域気候システムモデル（CCSM）
• 自分でできる気候予測
• 主要な研究用GCMは、NASA/GISS（ゴダード宇宙研究所）によって開発された。
• NASA/GISSオリジナルの地球気候モデル（GCM）を、PCとMacに対応した使いやすいインターフェースで提供します。
• CCCmaモデル情報とモデルデータ取得用インターフェース
• 「地球規模の気候変動：経済、科学、政策」。MITオープンコースウェア。— クロスエンコーダースコア 0.928。対応する講義：気候モデリングの数学
• En-ROADS気候ソリューションシミュレーター