Introducción a los modelos climáticos simples utilizados en - IPCC

1. INTRODUCCIÓN
1.1 Finalidades
Este documento técnico es una presentación del sistema climático
y de los modelos climáticos simples (MCS) y tiene dos finalidades:
a) explicar cómo funcionan los modelos climáticos simples,
los procesos que están incluidos, las ventajas y desventajas
con respecto a los modelos más complejos, los fines a los que se
aplican y los motivos que han inducido al Grupo de Trabajo I del
IPCC a utilizarlos ampliamente en su contribución al Segundo
Informe de Evaluación del IPCC ( IPCC GTI,1966); y b) documentar
de forma completa los procedimientos y supuestos usados
para elaborar las proyecciones sobre concentración de gases en
trazas, y los cambios medios mundiales de la temperatura y el
aumento del nivel del mar presentadas en el SIE GTI (sección 6.3)
y el documento técnico del IPCC sobre estabilización de los gases
de invernadero en la atmósfera (IPCC TD STAB, 1997).
1.2 Los modelos climáticos como herramienta para los
análisis científicos y de políticas
La comprensión del sistema climático es un problema de gran interés
científico. Los adelantos en la comprensión de las interacciones entre
la atmósfera, los océanos, la biosfera, la criosfera y la superficie
terrestre están revolucionando las ciencias de la Tierra. Además, en
estos últimos años, una sensación de urgencia viene alimentando la
investigación sobre la modelización del sistema climático. La probabilidad
de que las actividades humanas alteren la composición de la
atmósfera, afecten el clima a nivel regional y mundial, y repercutan
en las economías de los países y en los ecosistemas naturales, estimula
el desarrollo de modelos del sistema climático.
No hay duda de que es importante contar con herramientas útiles y
creíbles para realizar análisis de políticas antes de que se produzca
el cambio climático. En vista de ello, los modelos del sistema
climático que utilizan los contribuyentes al SIE GTI están motivados,
al menos en parte, por la intención de formular predicciones
oportunas de los impactos antropógenos sobre el clima que desencadenan
las emisiones de gases de efecto invernadero y los
aerosoles, que abarquen toda la cadena de causalidad que va desde
las emisiones hasta los impactos.
Un concepto importante para la modelización del clima es el de
jerarquía de modelos de diferentes niveles de complejidad, dimensionalidad
y resolución espacial, cada uno de los cuales puede ser el
óptimo para resolver las diversas cuestiones objeto de estudio. No
tiene sentido decir que un nivel es mejor que otro sin tener en cuenta
el contexto del análisis.
Idealmente, se trata de conseguir un equilibrio, en el que cada componente
del clima esté representado con el nivel de detalle apropiado.
En esto consiste el “arte” de las personas que se dedican a la
modelización. No hay ninguna clave metodológica, aunque algunos
principios generales son obvios: por ejemplo, acoplar un modelo
detallado de cierta parte del sistema y de escasos efectos sobre la
esfera de interés particular, con uno que representa de forma tosca
los procesos físicos que dominan la salida del modelo es una utilización
poco eficaz de los recursos computacionales. Einstein
advirtió que “todo debería ser lo más simple posible, pero no más
simple”. Generaciones de modelizadores han tratado
desesperadamente de averiguar el significado de la frase “no más
simple”. Ésta ha sido, y seguirá siendo, una cuestión particularmente
importante para las evaluaciones del cambio climático de
origen humano que viene realizando el IPCC.
Los modelos informáticos del cambio climático más generales que
utiliza el IPCC son los MCGAO (ver la sección 3.1), que resuelven
las ecuaciones de la atmósfera y los océanos aproximadamente
mediante el desglose de sus dominios en rejillas volumétricas, o
cajas, a cada una de las cuales se le asigna un valor promedio
para propiedades como velocidad, temperatura, humedad (de la
atmósfera) y salinidad (de los océanos). El tamaño de la caja es la
resolución espacial del modelo. Cuanto más pequeña es la caja,
tanto más alta es la resolución. Una hipótesis postulada en las investigaciones
en las que se utilizan modelos de la circulación general
(MCG) es que el realismo de las simulaciones del clima mejorará en
la medida en que aumente la resolución.
En la práctica, los condicionantes de la computación no permiten
que los modelos de resolución lo suficientemente alta resuelvan los
procesos microescalares importantes. Entre los fenómenos que
ocurren a escalas más pequeñas que las de los MCG de resolución
más alta, procesos que es imperativo incluir en los modelos, se
encuentran, por citar unos pocos: la formación de las nubes y su
interacción con la radiación atmosférica; la dinámica de los
aerosoles de sulfato y la dispersión de la luz; los penachos oceánicos
y las capas límite; los remolinos turbulentos a escala de subrejilla
que se producen en la atmósfera y los océanos; los intercambios de
masa, energía y momento entre la atmósfera y la biosfera; el crecimiento,
la descomposición y las interacciones de las especies de la
biosfera terrestre; y la dinámica del ecosistema de la biosfera
marina. La falta de concordancia entre las escalas de estos procesos
y las de la rejilla de los modelos mundiales ejecutables en computadora
es un problema bien conocido de la ciencia de la Tierra.
Para tener en cuenta los procesos climáticos microescalares se
utiliza la “parametrización”, es decir, la aplicación de relaciones
empíricas o semiempíricas para aproximar los efectos netos (o
promediados zonalmente) con la escala de resolución del modelo
(ver la sección 3 para un análisis más amplio). Es importante insistir
en que todos los modelos del sistema climático contienen parametrizaciones
empíricas; y en que ningún modelo obtiene sus
resultados únicamente con los principios fundamentales. La diferencia
conceptual más importante entre los modelos simples y los
complejos es el nivel jerárquico en el que se introduce el empirismo.
Por ejemplo, es fundamental tener en cuenta el calor y el carbono
que penetran en los océanos a medida que se calienta el clima
debido al efecto invernadero de CO 2 emitido por la combustión de
combustibles fósiles. La mezcla interna y el transporte en los