Modelos Climáticos

CMIP6

Para analisar cenários futuros, variabilidade climática em uma estrutura multimodelo e entender os impactos das mudanças climáticas, o conjunto multimodelo CMIP6 (projeto de intercomparação de modelos acoplados) é usado. O CMIP é um "grande programa para avançar o desenvolvimento de modelos e a compreensão científica do sistema da Terra" (WCRP-Climate) do Grupo de Trabalho de Modelagem Acoplada (WGCM) do Programa Mundial de Pesquisa Climática (WCRP). Ele envolve mais de 30 grupos ao redor do mundo, 21 projetos de intercomparação de modelos foram endossados com base em sua relevância para os Grandes Desafios do programa de Pesquisa Climática Mundial e para as questões científicas fundamentais do CMIP6. As simulações de modelos também foram avaliadas em avaliações e negociações climáticas internacionais, como os relatórios de avaliação do IPCC.

ISIMIP3b

Para o Webportal ClimateImpactsOnline, foram usados os dados de entrada climáticos ISIMIP3b ajustados por viés do Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP). O conjunto de dados contém dados GCM originais, extraídos do arquivo CMIP6. Para correção de viés e redução estatística, o ISIMIP3BASD e o W5E5 v2.0 foram aplicados (Lange, 2019a, 2020). As condições pré-industriais (1601-1849), históricas (1850-2014) e futuras (2015-2100) são fornecidas pela saída do CMIP6 dos diferentes modelos. Os cenários CMIP6 usados no ISIMIP3b são os seguintes: Experimento de controle pré-industrial (piControl), histórico, ssp126 (SSP1-RCP2.6), ssp370 (SSP3-RCP7) e ssp585 (SSP5-RCP8.5). Como variáveis, o ISIMIP3b inclui umidade relativa próxima à superfície, umidade específica próxima à superfície, velocidade do vento próxima à superfície, temperatura máxima diária, temperatura média diária, temperatura mínima diária, radiação descendente de onda longa, radiação descendente de onda curta, queda de neve, pressão atmosférica na superfície e precipitação total.

Modelos em detalhes

O modelo climático, que faz parte do projeto CMIP6, foi lançado em 2018. Ele consiste em:
"aerossol: interativo (incluindo efeito indireto do aerossol), atmos: GFDL-AM4.1 (esfera cúbica (c96) - resolução horizontal nominal de 1 grau; longitude/latitude 360 x 180; 49 níveis; nível superior 1 Pa), atmosChem: GFDL-ATMCHEM4.1 (química atmosférica completa), terra: GFDL-LM4.1 (modelo de terra com um novo modelo de dinâmica da vegetação com tratamento explícito da idade e altura da planta, estrutura e micróbios do solo, com fogo diário, plantações, pastagens e pastagens), landIce: GFDL-LM4.1, oceano: GFDL-OM4p5 (GFDL-MOM6, tripolar - nominal 0,5 graus; longitude/latitude 720 x 576; 75 níveis; célula de grade superior 0-2 m), ocnBgchem: GFDL-COBALTv2, seaIce: GFDL-SIM4p5 (GFDL-SIS2.0, tripolar - nominal 0,5 graus; 720 x 576 longitude/latitude; 5 camadas; 5 categorias de espessura), com transferência radiativa e dinâmica de grade C para compatibilidade com MOM6. O modelo foi executado pela Administração Oceânica e Atmosférica Nacional, Laboratório de Dinâmica de Fluidos Geofísicos, Princeton, NJ 08540, EUA (NOAA-GFDL) em resoluções nominais nativas: aerossol: 100 km, atmos: 100 km, atmosChem: 100 km, terra: 100 km, landIce: 100 km, oceano: 50 km, ocnBgchem: 50 km, seaIce: 50 km."
Fonte: CMIP6.CMIP.IPSL.IPSL-CM6A-LR

O modelo climático IPSL-CM6A-LR foi lançado em 2017 e também faz parte do projeto CMIP. O modelo inclui os componentes: "atmos: LMDZ (NPv6, N96; 144 x 143 longitude/latitude; 79 níveis; nível superior 80000 m), terra: ORCHIDEE (v2.0, modo Água/Carbono/Energia), oceano: NEMO-OPA (eORCA1.3, tripolar principalmente 1deg; 362 x 332 longitude/latitude; 75 níveis; célula de grade superior 0-2 m), ocnBgchem: NEMO-PISCES, seaIce: NEMO-LIM3. O modelo foi executado pelo Institut Pierre Simon Laplace, Paris 75252, França (IPSL) em resoluções nominais nativas: atmos: 250 km, terra: 250 km, oceano: 100 km, ocnBgchem: 100 km, seaIce: 100 km."
Fonte: CMIP6.CMIP.IPSL.IPSL-CM6A-LR

O MPI-ESM consiste em modelos de circulação geral acoplados para a atmosfera e o oceano, ECHAM6 (espectral T127; 384 x 192 longitude/latitude; 95 níveis; nível superior 0,01 hPa) e MPIOM (tripolar TP04, aproximadamente 0,4 graus; 802 x 404 longitude/latitude; 40 níveis; célula de grade superior 0-12 m), e os modelos de subsistema para terra e vegetação JSBACH3.20 e para a biogeoquímica marinha HAMOCC6. É executado pelo Instituto Max Planck de Meteorologia, Hamburgo 20146, Alemanha (MPI-M) em resoluções nominais nativas: "aerossol: 100 km, atmos: 100 km, terra: 100 km, gelo terrestre: nenhum, oceano: 50 km, ocnBgchem: 50 km, gelo marinho: 50 km."
Fonte: CMIP6.HighResMIP.MPI-M.MPI-ESM1-2-HR

O modelo MRI-ESM2.0 foi lançado em 2017 e executado pelo Instituto de Pesquisa Meteorológica, Tsukuba, Ibaraki 305-0052, Japão (MRI). Inclui os seguintes componentes: "aerossol: MASINGAR mk2r4 (TL95; 192 x 96 longitude/latitude; 80 níveis; nível superior 0,01 hPa), atmosfera: MRI-AGCM3.5 (TL159; 320 x 160 longitude/latitude; 80 níveis; nível superior 0,01 hPa), atmosfera: MRI-CCM2.1 (T42; 128 x 64 longitude/latitude; 80 níveis; nível superior 0,01 hPa), terra: HAL 1.0, oceano: MRI.COM4.4 (tripolar principalmente 0,5 graus de latitude/1 grau de longitude com refinamento meridional até 0,3 graus dentro de 10 graus ao norte e ao sul do equador; 360 x 364 longitude/latitude; 61 níveis; célula de grade superior 0-2 m), ocnBgchem: MRI.COM4.4, seaIce: MRI.COM4.4. O modelo foi executado em resoluções nominais nativas: aerossol: 250 km, atmos: 100 km, atmosChem: 250 km, terra: 100 km, oceano: 100 km, ocnBgchem: 100 km, seaIce: 100 km."
Fonte: CMIP6.CMIP.MRI.MRI-ESM2-0

UKESM1 consiste no modelo oceânico NEMO e no gelo marinho CICE, bem como no modelo de superfície terrestre JULES, com vegetação dinâmica TRIFFID. Além disso, o modelo simula química atmosférica e aerossóis usando UKCA, biogeoquímica marinha com MEDUSA e camadas de gelo dinâmicas com o modelo BISICLES. Fonte: UKESM

Fontes:

Modelo SWIM

Um modelo separado foi usado para gerar os dados das variáveis do setor hídrico nesta região: o Modelo Integrado de Solo e Água (SWIM).

O que o modelo faz?

O SWIM foi desenvolvido especificamente para investigar impactos de mudanças climáticas e de uso da terra em escala regional, onde os impactos se manifestam e medidas de adaptação ocorrem. O modelo simula processos interligados em mesoescala, como geração de escoamento, crescimento de plantas e culturas, ciclagem de nutrientes e carbono e erosão. Ele fornece inúmeras saídas de modelo, como vazão de rio, rendimento de culturas e concentrações e cargas de nutrientes. A abordagem permite a simulação de todos os processos inter-relacionados dentro de uma única estrutura de modelo em um passo de tempo diário usando dados disponíveis regionalmente (clima, uso da terra e solo) e considerando feedbacks. A configuração do modelo e o pós-processamento são suportados por uma interface GIS (com base no GRASS). O modelo usa um esquema de desagregação de 3 níveis: bacia – sub-bacias – hidrótopos. Os resultados são apresentados como séries temporais e mapas para uma série de variáveis. O SWIM é um modelo de complexidade intermediária para a bacia hidrográfica e escala regional, porque é a) mais abrangente do que modelos puramente hidrológicos e de precipitação-escoamento devido a uma representação mais confiável de processos hidrológicos, de vegetação e de nutrientes interligados; b) são orientados por dados regionais comumente disponíveis e podem ser mais facilmente parametrizados do que modelos hidrológicos mais complexos.

Quem o mantém?

O SWIM é mantido e desenvolvido pelo grupo regional de modelagem hidrológica do Research Department 2 no repositório de código-fonte GitLab do próprio PIK. O desenvolvimento é coordenado por Michel Wortmann, Stefan Liersch e Fred Hattermann.

De que forma o modelo é diferente de outros modelos na comunidade?

Fontes:

Cenários climáticos

As chamadas Rotas de Concentração Representativas (RCPs) foram desenvolvidas para o quinto Relatório de Avaliação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC). Descrevem diferentes níveis de emissões de radiação induzidas por gases com efeito de estufa que poderão ocorrer no período de 2011 a 2100. No entanto, não incluíram quaisquer “narrativas” socioeconómicas para os acompanhar. Ao longo dos últimos anos, uma equipa internacional de cientistas climáticos, economistas e modeladores de sistemas energéticos desenvolveu uma série de novos “caminhos” que examinam como a sociedade global, a demografia e a economia poderão mudar ao longo do próximo século. Eles são conhecidos como “Caminhos Socioeconômicos Compartilhados” (SSPs). Os SSP foram publicados em 2017 (Riahi et al., 2017) e desempenharão um papel importante no Sexto Relatório de Avaliação do IPCC em 2021/2022.

Os PSS são cenários de base que descrevem desenvolvimentos futuros na ausência de novas políticas climáticas, para além das que já estão em vigor hoje. Eles oferecem cinco caminhos que o mundo poderia seguir. Os cinco PSS diferem principalmente no crescimento populacional, na urbanização, no crescimento económico, nos investimentos na educação e na saúde, no sistema energético e na utilização do solo, na taxa de desenvolvimento tecnológico, bem como nos motores da procura, tais como mudanças no estilo de vida (Riahi et al., 2017).

Tal como os RCP, os SSP também não estão completos na sua concepção, uma vez que estes são apenas futuros sociais e não incluem os impactos das alterações climáticas. Além disso, não são implementadas medidas de mitigação ou adaptação nestes (O'Neill et al., 2020). Portanto, o ClimateImpactsOnline utiliza três combinações SSP-RCP para visualizar dados climáticos correspondentes a diferentes cenários socioeconômicos e de radiação.

“Sustentabilidade” SSP1 - 2,6

“Rivalidade Regional” SSP3 - 7,0

“Desenvolvimento Alimentado por Fósseis” SSP5 - 8,5

Banco de dados SSP

Os Caminhos Socioeconômicos Compartilhados (SSPs): Uma Visão Geral (Pôster)
Fontes:

O'Neill, BC, Carter, TR, Ebi, K. et al. Realizações e necessidades do quadro de cenários de alterações climáticas. Nat. Clim. Chang. 10, 1074–1084 (2020). https://doi.org/10.1038/s41558-020-00952-0

Riahi, K. et al., Os Caminhos Socioeconômicos Compartilhados e suas implicações em termos de energia, uso da terra e emissões de gases de efeito estufa: Uma visão geral, Mudança Ambiental Global, Volume 42, 153-168 (2017). https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2016.05.009.

Dados Observacionais

O conjunto de dados W5E5 consiste em dados observados e de reanálise e é usado para representar os dados observados. Faz parte do Projeto de Intercomparação de Modelos de Impacto (ISIMIP3b), onde o conjunto de dados é usado para ajuste de viés das avaliações de impacto. O conjunto de dados consiste nos dados WFDE5 baseados em terra e no conjunto de dados ERA5 baseado no oceano (dados e dados de reanálise) (Cucchi et al., 2020, Hersbach et al., 2020). Uma fonte de dados adicional são os dados de precipitação da versão 2.3 do Global Precipitation Climatology Project (Adler et al., 2003).

A versão 1.0 do W5E5 inclui dados para o período de 1979 a 2017. Isto significa que para a década 2011-2020, apenas 6 anos estão presentes e da mesma forma os mapas de diferenças são apenas relativos aos anos 1991-2014. Atualizaremos e comunicaremos continuamente mais dados do W5E5 nesta década. O conjunto de dados fornece uma resolução espacial horizontal de 0,5° e uma resolução temporal diária.
As variáveis incluídas no conjunto de dados são as seguintes: umidade relativa próxima à superfície (abreviatura: hurs, unidade: %), umidade específica próxima à superfície (huss, kg kg-1), precipitação (pr, kg m-2 s-1 ), fluxo de neve (prsn, kg m-2 s-1), pressão do ar na superfície (ps, Pa), pressão ao nível do mar (psl, Pa), radiação superficial descendente de ondas longas (rlds, W m-2), superfície descendente de ondas curtas radiação (rsds, W m-2), velocidade do vento próximo à superfície (sfcWind, m s-1), temperatura do ar próximo à superfície (tas, K), temperatura máxima diária do ar próximo à superfície (tasmax, K), mínima diária temperatura do ar próximo à superfície (tasmin, K), elevação da superfície (orog, m) e máscara WFDE5-ERA5 (máscara, 1) (Lange, 2019). Os dados W5E5 das variáveis são, sobre terra e oceano, as médias diárias dos dados horários WFDE5. As variáveis terrestres hurs, pr, psl, tasmax e tasmin e as variáveis oceânicas tasmax e tasmin são obtidas em cálculo diferente. Isto está descrito no seguinte site: WFDE5 sobre terra fundido com ERA5 sobre o oceano (W5E5)

Ao selecionar "Observações" na seção Dados históricos da guia Configurações, você pode visualizar os dados observados do conjunto de dados W5E5.

Fontes:

Adler, RF, Huffman, GJ, Chang, A., Ferraro, R., Xie, P.-P., Janowiak, J., Nelkin, E. (2003). Análise Mensal de Precipitação do Projeto Global de Climatologia de Precipitação Versão 2 (GPCP) (1979-presente). Jornal de Hidrometeorologia, 4(6), 1147–1167. doi:10.1175/1525-7541(2003)004<1147:tvgpcp>2.0.co;2
Cucchi, M., Weedon, GP, Amici, A., Bellouin, N., Lange, S., Müller Schmied, H., Hersbach, H., & Buontempo, C. (2020). WFDE5: dados de reanálise ERA5 ajustados por viés para estudos de impacto. Dados científicos do sistema terrestre, 12(3), 2097–2120. https://doi.org/10.5194/essd-12-2097-2020
Hersbach, H., Bell, B., Berrisford, P., Hirahara, S., Horányi, A., Muñoz-Sabater, J., Nicolas, J., Peubey, C., Radu, R., Schepers, D ., Simmons, A., Soci, C., Abdalla, S., Abellan, X., Balsamo, G., Bechtold, P., Biavati, G., Bidlot, J., Bonavita, M., … Thépaut, JN (2020). A reanálise global ERA5. Jornal Trimestral da Royal Meteorological Society, 146(730), 1999–2049. https://doi.org/10.1002/QJ.3803
Lange, Stefan (2019): WFDE5 sobre terra fundido com ERA5 sobre o oceano (W5E5). V. 1.0. Serviços de dados GFZ. https://doi.org/10.5880/pik.2019.023
Lange, S.: ISIMIP3BASD v2.4.1, https://doi.org/10.5281/zenodo.3898426, 2020.

Dados históricos de simulação

Para validar os modelos climáticos, as condições climáticas passadas são simuladas e comparadas com os dados observados. Um indicador importante para validar a fiabilidade das projeções climáticas futuras a partir de modelos é a mudança temporal e espacial simulada na temperatura média global da superfície desde os tempos pré-industriais até ao presente.

Parte do cartão de entrada para participar do Projeto de Intercomparação de Modelos Acoplados (Fase 6) é a simulação histórica. Foi adicionado ao Diagnóstico, Avaliação e Caracterização do Clima (DECK) para uma melhor separação entre o CMIP e uma fase específica, neste caso o CMIP6. Eles também servem como referência para Projetos de Intercomparação de Modelos (MIPs) endossados pelo CMIP6.

As simulações começam em condições de equilíbrio arbitrárias do experimento de controle pré-industrial (piControl). Em seguida, vários forçantes dependentes do tempo, consistentes com o CMIP6, como emissões de gases de efeito estufa, forçantes de uso da terra, aerossóis, forçantes solares e outros, são inseridos nos modelos. Estes então geram uma retrospectiva das condições históricas. A simulação histórica do CMIP6 cobre o período de 1850 a 2014.

Fontes: