Modelos climáticos

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Modelos climáticos
« en: Lunes 12 Noviembre 2007 23:53:38 pm »
Bueno, vamos a ver si entre todos damos un poco de luz a este escabroso tema. ¿hasta qué punto los modelos climáticos utilizados por el IPCC y otros organismos son fiables?


Simplificando mucho, los pasos para construir un modelo climático (o cualquier otro tipo de base física) es el siguiente:

1- Conocimiento de los mecanismos:

Tendremos que saber de modo cualitativo cuáles son los factores que intervienen en nuestro sistema climático, y qué papel actúa cada uno. Entre otros tendremos que saber la función de:

- Gases de efecto invernadero CO2, CH4, vapor...
- Albedo terrestre y nuboso
- Actividad solar
- Corrientes marinas
- Impacto de volcanes
- Hollín y partículas en suspensión
- etc, etc...

2- Establecer las ecuaciones que gobiernan dichos factores:

Hay que hallar  expresiones matemáticas que gobiernan los factores anteriores. Es decir, no solo tenemos que saber como actuan, sino que tenemos que hallar las ecuaciones que los gobiernan.

El gran problema es que, en general, todos los factores existentes van a estar interrelacionados unos con otros, es decir, que como varies solo uno de ellos, van a variar los demás. Por eso tendremos ecuaciones diferenciales, muy complejas de resolver.


3- Establecer las condiciones actuales:

Es decir, el albedo, irradiación solar, concentración de CO2, Tª, etc... al comienzo.

4- Calcularlo  Conociendo las ecuaciones y los datos de partida, comienza el cálculo. Esto lo dividiremos en varias partes:

4.1: Creamos una red de puntos: Está claro que no podemos calcular toda la superficie terrestre, porque tendríamos infinitos puntos. Por eso se elige una especie de "red" o "malla" formado por un número limitado de puntos, que será donde calcularemos. Está claro que cuanto mas pequeños sean los cuadrados de la "red", mayor número de puntos tendremos, por lo que mas ajustados serán los cálculos (por eso en meteorología los modelos mesoescalares con cuadrados de 20 km son mejores que los globales de 50 km de cuadrado)

4.2: Calculamos a intervalos temporales: Es decir, si usamos los datos de partida del año 2007, obtendremos los datos del 2008. Esos mismos datos se utilizan como "datos de partida" para otra serie de calculos obteniendo los resultados de 2009, y así sucesivamente...
En meteorología las pasadas suelen ser cada 12 horas (de ahí las típicas 2 salidas de los modelos meteorológicos). En climatología me imagino que saldrán una al año.

4.3 Interpolación: Está claro, tenemos los resultados en cierto número de puntos (los de la "red"). pero, ¿como podemos conocer los resultados para un punto cualquiera? Interpolando, es decir, aproximar una solución conociendo los valores de los puntos mas cercanos (es algo así como si "hiciesemos la media")


Sin embargo en cada paso se cometen errores, errores que se van pasando de etapa a etapa, acumulándose y amplificándose.

1- Conocimiento de los mecanismos: A la hora de crear un modelo ¿conocemos todos los mecanismos? ¿Conocemos todos los factores que influyen en el clima y el papel de cada uno? ¿Seguro que no nos dejamos ninguno en el tintero?

2- Establecer las ecuaciones que gobiernan dichos factores: ¿Se corresponden las ecuaciones con el comportamiento real de los factores? A menudo para lograr estas ecuaciones hay que hacer simplificaciones. Otras veces tienen origen empírico y la precisión no será totalmente correcta.



3- Establecer las condiciones actuales: ¿Las condiciones iniciales son totalmente correctas? Una pequeña desviación en este punto se va agrandando y a largo plazo las diferencias pueden ser enormes (efecto mariposa lo llaman  ;D )

4.1: Creamos una red de puntos: Aquí tenemos otro error. Una red de puntos nunca será equivalente a un espacio continuo.


4.2: Calculamos a intervalos temporales: Aquí tendremos otros errores: para solucionar las complejas ecuaciones obtenidas en el punto 2 hay que iterar, es decir, hay que tantear hasta lograr un recultado aceptable. Aquí tendremos un error de cálculo.

4.3 Interpolación: También aquí existirá error, al calcular "la media entre 2 puntos". Algo parecido ocurre en fotografía al interpolar píxeles.


Pongamos como ejemplo un modelo meteorológico: UKMO o HIRLAM. Supongamos que ofrecen resultados mas o menos válidos hasta 5 días vista. Con 2 salidas diarias eso significa 10 iteraciones válidas. Si los modelos climatologicos tienen salidas anuales ¿Significaría eso una validez de unos 10 años? ¿Como pueden decirnos qué temperatura tendremos dentro de 100 años? Es mas, si el ciclo del vapor de agua en la atmósfera (que genera efecto invernadero y albedo), es de solo unos días, y el del metano de unos meses, ¿como se puede calcular ésto con iteraciones anuales?

Y la gran cuestión: los errores que se generan en el cálculo se pueden acotar, es decir, podemos evaluarlos. Pero... ¿como evaluamos los errores producidos durante los puntos 1 y 2? ¿es decir, lo errores que produce nuestra ignorancia sobre el comportamiento climático?

¿Existe algún ordenador capaz de simular el clima con todas sus variables de manera simultánea (variables que dependen unas de otras y se relacionan mediante complejas ecuaciones diferenciales)? ¿O resulta que las simulaciones realizadas hasta ahora por el IPCC han sido aumentando la concentración de CO2 y dejando como constantes el resto de parámetros?

Es por esto por lo que soy escéptico en lo que se refiere a modelización climática. A ver que opinais por aquí..
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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #1 en: Martes 13 Noviembre 2007 00:18:39 am »
Excelente topic Aegis

Tenía esta imagen por ahí, está tomada del anterior informe del IPCC, del 2001.


Como ves se tienen en cuenta muchas cosas. Según tengo entendido, estos modelos corren en superordenadores. A mi me parece que está claro que aun no son muy precisos que se diga  ;D , por eso lo importante es estimar bien el error que cometen, y si se están infravalorando cosas importantes. Lo que no se puede decir es que no sirven para nada. Y es que muchas veces los errores se pueden calcular, y se puede calcular su propagación con el paso del tiempo.

Estaría muy bien ir averiguando mas cosas sobre los modelos  ;)

Saludos
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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #2 en: Martes 13 Noviembre 2007 00:50:59 am »
Fantástico tópic Aegis  :aplause:

Si hace falta, rebuscaremos en los apuntes para ayudarte en las ecuaciones.
Y si queréis, propongo a meteored que montemos nuestro porpio modelo climático, entre todos.

Saludos  ;)
« Última modificación: Martes 13 Noviembre 2007 00:51:42 am por vigilant »

Desconectado vigilant

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #3 en: Martes 13 Noviembre 2007 10:59:56 am »
Pongamos como ejemplo un modelo meteorológico: UKMO o HIRLAM. Supongamos que ofrecen resultados mas o menos válidos hasta 5 días vista. Con 2 salidas diarias eso significa 10 iteraciones válidas. Si los modelos climatologicos tienen salidas anuales ¿Significaría eso una validez de unos 10 años? ¿Como pueden decirnos qué temperatura tendremos dentro de 100 años? Es mas, si el ciclo del vapor de agua en la atmósfera (que genera efecto invernadero y albedo), es de solo unos días, y el del metano de unos meses, ¿como se puede calcular ésto con iteraciones anuales?

La fiabilidad del alcance de un modelo se basa en la caoticidad de las ecuaciones.

Las ecuaciones climáticas son sensiblemente diferentes de las ecuaciones meteorológicas.

Como explicaba en el tópic de variables globales, existe una bastante buena linealidad en las ecuaciones suponiendo la Tierra puntual, y se consiguen hacer buenas reconstrucciones del clima global.

Si realizamos un modelo 1-dimensional, entonces las ecuaciones son casi las mismas, pero aplicadas para cada punto (por ejemplo, para cada latitud)

Por otra parte es cierto que el agua tiene una residencia de en torno una semana, sin embargo, el que hay que contar no son los excesos de agua (que esos desaparecen a una semana) sino aquellas cantidades que estén en equilibrio termodinámico, es decir, pese a que las oscilaciones de agua duran días, la concentración de "agua de fondo" es muy estable, y sólo depende de la temperatura global (o latitudinal).

Con el metano ocurre igual, pero en vez de tener en cuenta el equilibrio termodinámico, lo que rige su concentración estable de fondo es el equilibrio entre emisiones y capturación de los oceanos.

Es decir, cuando miramos a escala climática (30 años, no un año), se determinan los equilibrios que, por definición no deberían de variar, sin embargo, en un segundo término de Taylos, sí varían, pero muy poco, en función de algún parámetro casi lineal a escala 30 años (emisiones, insolación, etc.).

Por cierto, aunque la salida de los modelos sea de un año, en realidad representa, tal y como comentó Orald, a un "año clmático" es decir, el promedio teórico-estadístico de los 15 años anteriores y los 15 años posteriores.

Es decir, la salida de los modelos serían grupos de trenta años, cuya etiqueta, es el número del año central. Por tanto, predecir un día meteorológico es en teoría igual de sencillo que predecir la media de 30 años reales (o uno climatológico).

Saludos  ;)

Desconectado vigilant

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #4 en: Martes 13 Noviembre 2007 11:06:35 am »
ç
[...]

1- Conocimiento de los mecanismos:

Tendremos que saber de modo cualitativo cuáles son los factores que intervienen en nuestro sistema climático, y qué papel actúa cada uno. Entre otros tendremos que saber la función de:

- Gases de efecto invernadero CO2, CH4, vapor...
- Albedo terrestre y nuboso
- Actividad solar
- Corrientes marinas
- Impacto de volcanes
- Hollín y partículas en suspensión
- etc, etc...

2- Establecer las ecuaciones que gobiernan dichos factores:

Hay que hallar  expresiones matemáticas que gobiernan los factores anteriores. Es decir, no solo tenemos que saber como actuan, sino que tenemos que hallar las ecuaciones que los gobiernan.

El gran problema es que, en general, todos los factores existentes van a estar interrelacionados unos con otros, es decir, que como varies solo uno de ellos, van a variar los demás. Por eso tendremos ecuaciones diferenciales, muy complejas de resolver.
[...]

Y la gran cuestión: los errores que se generan en el cálculo se pueden acotar, es decir, podemos evaluarlos. Pero... ¿como evaluamos los errores producidos durante los puntos 1 y 2? ¿es decir, lo errores que produce nuestra ignorancia sobre el comportamiento climático?

¿Existe algún ordenador capaz de simular el clima con todas sus variables de manera simultánea (variables que dependen unas de otras y se relacionan mediante complejas ecuaciones diferenciales)? ¿O resulta que las simulaciones realizadas hasta ahora por el IPCC han sido aumentando la concentración de CO2 y dejando como constantes el resto de parámetros?

Es por esto por lo que soy escéptico en lo que se refiere a modelización climática. A ver que opinais por aquí..

Échale un vistazo al modelo puntual y verás como sí funciona: se puede reconstruir casi perfectamente la temperatura del pasado con una teoría muy sencilla y cuatro lineas. Pues imagínate los ordenadores potentes.

En el laboratorio de climatología de la carrera hemos trabajado con el modelo 1-dimensional y funciona bastante bien.

Debéis pensar que todos los modelos, antes de correrlos para hacer predicciones pasan unos tests de validación, que se basa en ver si son capaces de reconstruir el clima del pasado, introduciendo simplemente las condiciones inciales previas a ese clima del pasado. Y con los modelos meteorológicos ocurre lo mismo.

Saludos  ;)

Desconectado diablo

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #5 en: Martes 13 Noviembre 2007 13:03:12 pm »
Debéis pensar que todos los modelos, antes de correrlos para hacer predicciones pasan unos tests de validación, que se basa en ver si son capaces de reconstruir el clima del pasado, introduciendo simplemente las condiciones inciales previas a ese clima del pasado. Y con los modelos meteorológicos ocurre lo mismo.

Saludos  ;)

Y a veces la cagan...
Según Akasofu, en la imagen adjunta vemos los cambios de temperaturas observados en invierno en 1950-2003. Y, al lado, esos años "corridos" por el modelo del grupo ártico del IPCC:

http://www.iarc.uaf.edu/highlights/2007/akasofu_3_07/Earth_recovering_from_LIA.pdf

Creo que los modelos sí que tienen utilidad, pero también que no conocemos ni modelizamos bien todas las variables que influyen en los cambios climáticos.

Desconectado vigilant

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #6 en: Martes 13 Noviembre 2007 13:54:35 pm »
Debéis pensar que todos los modelos, antes de correrlos para hacer predicciones pasan unos tests de validación, que se basa en ver si son capaces de reconstruir el clima del pasado, introduciendo simplemente las condiciones inciales previas a ese clima del pasado. Y con los modelos meteorológicos ocurre lo mismo.

Saludos  ;)

Y a veces la cagan...
Según Akasofu, en la imagen adjunta vemos los cambios de temperaturas observados en invierno en 1950-2003. Y, al lado, esos años "corridos" por el modelo del grupo ártico del IPCC:

http://www.iarc.uaf.edu/highlights/2007/akasofu_3_07/Earth_recovering_from_LIA.pdf

Creo que los modelos sí que tienen utilidad, pero también que no conocemos ni modelizamos bien todas las variables que influyen en los cambios climáticos.

Yo estaba hablando del modelo 0-dimensional y el 1-dimensional.

Haz una comparación entre la temperatura predicha globalmente y la observada, así como la temperatura latitudinal prevista y la observada, y verás como sí coincide.

En lo que estoy de acuerdo contigo es que en la modelización  climática regional fallan mucho. Totalmente de acuerdo.
De hecho, la regionalización del clima es casi igual de caótico que la meteorología, en sus respectivas escalas, ya que influyen mucho las corrientes zonales, y sin embargo, a escala 0-dimensional y 1-dimensional, las corrientes apenas influyen.

Saludos  ;)

Desconectado anacleto

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #7 en: Sábado 17 Noviembre 2007 15:59:58 pm »
Si me permetis el comentario, yo creo que deberias leer un poco mas acerca de los modelos climaticos antes de expresar un excepticismo o un acuerdo con sus resultados.

hay algunos errores importantes en estos comentarios, por ejemplo, el paso de tiempo (las pasadas) en los modelos climaticos son del orden de 30 minutos o aun mas cortas, no de un an~o. Para daros una idea, un modelo climatico contiene aprox. medio millon de lineas de codigo.

En las simulaciones del IPCC se prescriben  las concentraciones futuras de co2, ch4, aerosoles y otros factors, pero  aparte de esto,  modelo es libre de simular el clima terrestre  de acuerdo a la influencia de estos factores

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #8 en: Martes 20 Noviembre 2007 16:58:15 pm »
Ya en su día sacamos dos errores muy graves por lógica a los modelos del Ipcc, bueno, errores que luego pudimos ver en publicaciones cientificas analizados y comentados.

1- Vapor de agua
2- Suposición de radiación solar constante

Estos dos son los que recuerdo, pero había alguno más me parece.

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #9 en: Martes 20 Noviembre 2007 17:40:30 pm »
Hola Mor

Supongo que lo comentaríais en algún tópic hace tiempo.
¿Podríais pasarnos el link?

Muchas gracias por adelantado. ;)
« Última modificación: Martes 20 Noviembre 2007 17:41:21 pm por vigilant »

Desconectado Môr Cylch

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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #10 en: Martes 20 Noviembre 2007 19:01:08 pm »
Hola Mor

Supongo que lo comentaríais en algún tópic hace tiempo.
¿Podríais pasarnos el link?

Muchas gracias por adelantado. ;)

Si se comento en un topic, y se adjunto una publicación en ingles. Voy a ver si te la encuentro.
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Re: Modelos climáticos
« Respuesta #11 en: Martes 20 Noviembre 2007 21:23:14 pm »
Muy interesante el topic.  ;)
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