درمورد مدل‌های آب و هوایی و میزان دقت آنها چه می‌دانیم

هوا یا شرایط جوی، موقعیت روزانه‌ی اتمسفر است و تغییرات کوتاه مدت آن به دقیقه تا هفته. آب‌وهوا (اقلیم)، میانگین سنجه‌های هوای یک مکان است که طی یک دوره زمانی اغلب سی‌ساله، به دست آمده است. اطلاعات اقلیمی شامل اطلاعات آماری هوایی در مورد هوای نرمال و همچنین دامنه‌ای از شرایط حداقل و حداکثر برای یک مکان است. طبق یک تعریف معروف، اقلیم (climate) چیزی است که شما انتظار دارید، هوا (weather) چیزی است که دریافت می‌کنید. در حالیکه وضعیت هوا می‌تواند به‌طور چشمگیری از روز به روز دیگر تغییر کند، اقلیم به‌معنای متوسط شرایط یک منطقه است. این که این منطقه به‌طور متوسط چقدر گرم است و میزان بارش سالانه در آن چقدر است. برای مثال اقلیم تگزاس برای بیشتر سال گرم است در حالیکه نیویورک به‌طور متوسط دارای فصول سرد بیشتری است.

پیش‌بینی دمایی بر اساس یک مدل اقلیم شناسی

مدل هواشناسی چیست؟

پیش‌بینی هوای امروز تا حدودی ابری با احتمال بارش در اواخر بعد از ظهر است….. این خلاصه آشنایی از هواشناسی است که احتمالا بارها از هواشناسان شنیده‌اید. هواشناسان برای به‌دست آوردن این پیش‌بینی‌ها، از داده‌های هواشناسی و مدل‌های پیش‌بینی‌کننده استفاده می‌کنند تا شرایط جوی کنونی و آینده را تعیین کنند. از آنجایی که هواشناسی ساعت‌به‌ساعت اتفاق می‌افتد، مدل‌های پیش‌بینی از شرایط جوی و اقیانوسی برای پیش‌بینی هوای آینده استفاده می‌کنند. در این پیش‌بینی‌ها، رطوبت، دما، فشار هوا، سرعت و جهت باد و نیز پوشش ابری در نظر گرفته می‌شود. موقعیت جغرافیایی، مجاورت به آب، ساختارهای شهری، عرض جغرافیایی و ارتفاع نیز می‌توانند بر آب‌وهوا تاثیر بگذارند.

هواشناسان درایدن ناسا در حال راه اندازی یک بالون هواشناسی

وضوح مدل‌های هواشناسی باید چنان باشد که بتوانند در برخی موارد، پیش‌بینی‌های متفاوتی برای شهرهای مجاور ارائه کنند؛ اما این پیش‌بینی‌ها فقط برای دوره‌های زمانی کوتاه نهایتا دو هفته‌ای است.

مدل آب‌وهوا (اقلیمی) چیست؟

اساسا مدل‌های آب‌وهوایی بسطی از پیش‌بینی‌های هواشناسی هستند. مدل‌های هواشناسی پیش‌بینی‌هایی روی مناطق خاص و طی دوره‌های زمانی کوتاه مدت، دارند؛ در حالی که مدل‌های آب‌وهوایی وسیع تر بوده و دوره‌های زمانی طولانی‌تری را تجزیه‌وتحلیل می‌کنند. پیش‌بینی مدل‌های آب‌وهوایی این است که در یک منطقه، طی دهه‌های پیش رو متوسط شرایط آب‌وهوایی به چه صورت خواهد بود.

مدل‌های آب‌وهوایی نسبت به مدل‌های هواشناسی شامل عوامل جوی، اقیانوسی و زمینی بیشتری مانند جریان اقیانوس‌ها و ذوب شدن یخچال‌ها هستند. این مدل‌ها معمولا حاصل معادلات ریاضی هستند که در آن‌ها از هزاران داده‌ی نقطه‌ای برای شبیه سازی انتقال انرژی و آب، استفاده می‌کنند.

تصویری از شبکه سه بعدی مدل آب‌وهوایی

دانشمندان از مدل‌های آب‌وهوایی برای درک سیستم‌های پیچیده‌ی زمین استفاده می‌کنند. این مدل‌ها به آن ها اجازه می‌دهد که فرضیات خود را مورد آزمایش قرار دهند و نتیجه‌گیری‌هایی درمورد گذشته و آینده‌ی سیستم‌های آب‌وهوایی داشته باشند. بر این اساس می‌توان مشخص کرد آیا وقایع غیرطبیعی آب‌وهوایی یا طوفان‌ها نتیجه‌ای از تغییرات اقلیمی هستند یا اینکه فقط بخشی از تغییرات اقلیمی معمول به‌حساب می‌آیند.

برای مثال هنگام پیش‌بینی چرخندهای گرمسیری طی فصل طوفان، دانشمندان می‌توانند از مدل‌های آب‌وهوایی برای پیش‌بینی تعداد طوفان‌های گرمسیری که ممکن است در ساحل به‌وجود آیند و نیز اینکه این طوفان‌ها در کدام مناطق ممکن است به خشکی برسند، استفاده کنند.

هنگام ایجاد مدل‌های آب‌وهوایی، دانشمندان از یکی از سه نوع رایج مدل‌های آب‌وهوایی ساده استفاده می‌کنند: مدل‌های تعادل انرژی، مدل‌های پیچیده‌ی متوسط و مدل‌های جریان عمومی. در این مدل‌ها برای ساده‌تر شدن پیچیدگی‌هایی که با به‌حساب آوردن تمام فاکتورهای تاثیر گذار روی اقلیم مانند مخلوط‌شدگی جوی و جریان اقیانوس وجود دارد، از اعدادی استفاده می‌شود.

در مدل‌های تعادل انرژی پیش‌بینی تغییرات اقلیمی بر اساس بودجه‌ی انرژی زمین، انجام می‌شود. در این مدل‌ها درجه حرارت‌های سطحی از انرژی خورشیدی، آلبدو یا بازتابش و خنک‌کنندگی طبیعی حاصل از برگشت گرما از سطح زمین به هوا در نظر گرفته می‌شود. پیش‌بینی آب‌وهوا با استفاده از معادله‌ای که مقدار انرژی ورودی را نسبت به مقدار خروجی آن از سطح زمین مقایسه می‌کند، انجام می‌شود. سپس این معادله وارد مدل‌های جعبه‌ای می‌شود. مدل جعبه‌ای نمایش‌دهنده‌ی سطحی مربعی از زمین در شبکه‌ای سه‌بعدی است که اقلیم یک منطقه یا حتی یک قاره را بیان می‌کند.

مدل‌های پیچیده‌ی متوسط شبیه مدل‌های تعادل انرژی هستند؛ اما اینها ساختارهای جغرافیایی مختلف زمین مانند زمین، اقیانوس و خصوصیات یخ را نیز در نظر گرفته و با هم ترکیب می‌کنند. این ویژگی‌های جغرافیایی به مدل‌های پیچیده‌ی متوسط امکان شبیه‌سازی سناریوهای مختلف اقلیمی در مقیاس بزرگ مانند نوسانات یخبندانی، تغییرات کنونی اقیانوسی و تغییرات ترکیبات جوی را طی دوره‌های زمانی طولانی‌مدت می‌دهد. مدل‌های پیچیده متوسط، آب‌وهوا را با جزئیات فضایی و زمانی کمتری تشریح می‌کنند و بنابراین آن‌ها برای تغییراتی که در مقیاس وسیع و نیز تغییراتی که با فراوانی کم در سیستم اقلیمی زمین، اتفاق می‌افتند، بهترین مدل هستند.

مدل‌های جریان عمومی، پیچیده‌ترین و دقیق‌ترین مدل‌ها برای درک سیستم‌های آب‌وهوایی و پیش‌بینی تغییرات آب‌وهوایی هستند. این مدل‌ها شامل اطلاعات مربوط به شیمی جو، نوع زمین، چرخه‌ی کربن، جریان‌های اقیانوسی و آرایش بخبندانی منطقه‌ی مورد نظر می‌باشند. در این نوع مدل‌ها نیز از یک شبکه سه‌بعدی استفاده می‌شود که هر باکس نشان‌دهنده‌ی ۱۰۰ کیلومتر مربع از زمین، هوا یا دریا است که این میزان دارای وضوح بیشتری نسبت به نوع معمولی ۲۰۰ تا ۶۰۰ کیلومتر در هر باکس است. این مدل نسبت به مدل‌های تعادل انرژی و مدل پیچیده متوسط، پیچیدگی‌های بیشتری دارد و به زمان محاسباتی بیشتری نیز نیاز دارد؛ هر دور اجرای شبیه سازی چندین هفته زمان می‌برد.

مدل‌های آب‌وهوایی در مورد آینده و گذشته چه می‌گویند؟

برای دهه‌های زیادی، دانشمندان داده‌های مربوط به اقلیم را با استفاده از هسته‌های یخ، درختان، مرجان‌ها و نیز تاریخ گذاری کربن جمع‌آوری کرده‌اند. از این اطلاعات جزئیاتی در مورد فعالیت‌های گذشته بشر، تغییرات دمایی اقیانوس‌ها، دوره‌های خشکسالی شدید و موارد زیاد دیگری به‌دست آمده است. هر چه داده‌های نقطه‌ای بیشتری جمع‌آوری شود، دقت مدل‌های آب‌وهوایی موجود افزایش می‌یابد. این امر موجب بهبود پیش‌بینی‌های آب‌وهوایی می‌شود زیرا اطلاعات گذشته‌ی آب‌وهوایی می‌تواند در ایجاد یک خط پایه برای سیستم‌های آب‌وهوایی معمول مورد استفاده قرار گیرد.

پژوهشگران در بررسی برخی عوامل به این صورت عمل می‌کنند که برخی متغیرهای آب‌وهوایی را ثابت نگه می‌دارند، مانند پوشش ابری و متغیرهایی که می‌خواهند اثر آن‌ها را مورد آزمون قرار دهند؛ مانند افزایش سطح کربن دی‌اکسید، را متغیر در نظر می‌گیرند. به این صورت آن‌ها فرضیاتی را در مورد تغییرات آینده ارزیابی می‌کنند.

یک هسته یخ

دقت مدل‌های آب‌وهوایی تا چه اندازه است؟

از آن جایی که دنیا نمی‌تواند دهه‌ها منتظر بماند تا دقت پیش‌بینی‌های مدل‌های آب‌وهوایی معلوم شود، پژوهشگران دقت یک مدل را با استفاده از وقایع گذشته تعیین می‌کنند. اگر یک مدل به دقت وقایعی را که در گذشته رخ داده است، پیش‌بینی کند؛ وقایعی که ما در مورد آن ها آگاهی داریم، پس آن مدل یک پیش‌بینی‌کننده‌ی خوب از وقایع آینده نیز خواهد بود و هر چه ما بیشتر در مورد شرایط گذشته و حال حاضر بدانیم این مدل‌ها دقیق‌تر می‌شوند.

مدل‌های آب‌وهوایی، پیچیده هستند زیرا تمامی این مولفه‌ها در سیستم‌های زمین در حال تغییرات پی‌در‌پی هستند. اگر اتمسفر کره‌ی زمین نیز همچون اتمسفر کره‌ی ماه بود، مدل‌سازی آب‌و‌هوایی بسیار آسان‌تر بود؛ زیرا ماه به سختی دارای یک اتمسفر است که آن هم بدون تغییر مانده است. روی زمین، دانشمندان اقلیم‌شناسی باید نوسانات دمایی، الگوهای باد، جریان‌های اقیانوسی، ویژگی‌های سطحی زمین و موارد بیشتری را به حساب آورند. به علت این موضوع، مدل‌ها همیشه دارای سطحی از عدم اطمینان نیز هستند اما مدل‌هایی که مناطق کوچکتری را با وضوح بالاتر در نظر می‌گیرند، مدل های دقیق تری حاصل می‌کنند. با وجود مقدار کمی عدم اطمینان، دانشمندان مدل‌های آب‌وهوایی قرن بیست و یکم را دقیق ارزیابی می‌کنند؛ زیرا این‌ها بر اساس اصول فیزیکی شناخته شده از فرایندهای سیستم زمین استوارند. بر این اساس، اطمینان جامعه‌ی علمی درمورد این مسئله که انتشارات گازی حاصل از فعالیت‌های انسانی در حال تغییر اقلیم است و کل سیاره را تحت تاثیر قرار می دهد، محکم شده است.

اهمیت مدل‌های آب‌وهوایی در چیست؟

شاخص آسیب‌پذیری مناطق مختلف جهان در اثر تغییرات اقلیمی

شناخت آب‌وهوای گذشته، حال و آینده به ما در درک عملکرد طبیعی سیستم‌های زمین یاری می‌کند. این اطلاعات در ترکیب با مدل‌های آب‌وهوایی به ما اجازه می‌دهد تا تعیین کنیم که چگونه تاثیرات طبیعی و بشری اقلیم ما را متاثر می‌سازند. این پیش‌بینی‌ها و نتایج همچنین می‌توانند پیشنهاد کنند که چگونه اثرات مخرب تغییرات هوایی را باید کاهش داد و آن‌ها به تصمیم گیرندگان کمک می‌کنند تا مسائل زیست محیطی را بر اساس شواهد علمی اولویت بندی کنند. مدل‌های متعددی نشان داده‌اند که اقلیم در حال تغییر است. افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای در نتیجه‌ی فعالیت‌های بشر منجر به فیدبک‌های مثبتی در سیستم‌های اقلیمی ما می‌شود. این فیدبک‌های مثبت می‌توانند منجر به تغییرات نه چندان مثبتی در سیستم زمین همچون آب شدن یخچال‌ها، بالا رفتن دمای اقیانوس‌ها، افزایش احتمال بروز خشکسالی و سیل‌های شدید و افزایش دماهای سطحی می‌شود.

جمع آوری پیوسته‌ی داده‌ها و نیز بهبود و افزایش دقت مدل‌ها موضوع مهمی است. دانش ما در مورد اقیلم و هواشناسی باید بیشتر شود. مدل‌های اقلیم شناسی و هواشناسی هر دو دارای توانایی استفاده در نحوه‌ی طراحی شهرها ما هستند، فرصت‌های تجاری را تحت تاثیر قرار می‌دهند و حتی روی برنامه ریزی روزانه ما اثر می‌گذارند. این مدل‌ها بهترین شانس ما برای یافتن راه‌هایی برای کاهش تاثیرات خطرناک تغییرات آب‌وهوایی هستند.