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Modelo Conceptual
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Modelo Método D6 - Modelos Climáticos y Proyecciones
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:4639
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Malla tridimensional y evolución acoplada
Celda de la malla tridimensional
Grupo 2: Grupo 2: Ecuaciones primitivas atmosféricas
Ecuaciones primitivas de la atmósfera
Grupo 3: Grupo 3: Acoplamiento entre componentes del sistema climático
Intercambio bidireccional entre componentes
Grupo 4: Grupo 4: Resolución espacial y parametrizaciones sub-malla
Parametrización sub-malla
Grupo 5: Grupo 5: Ciclo interactivo del carbono en modelos de sistema Tierra
Balance interactivo de carbono
Grupo 6: Grupo 6: Modelo de balance energético de dos cajas
Intercambio de calor superficie–océano profundo
Grupo 7: Grupo 7: Espectro de complejidad y elección del modelo
Complejidad del modelo climático
ID:1698
Grupo 1: Grupo 1: Malla tridimensional y evolución acoplada
Descripción
Celda de la malla tridimensional
Pregunta clave: ¿Cómo representa y hace evolucionar el modelo al sistema climático global?
Celda de la malla tridimensional Cada modelo climático divide la atmósfera y el océano en una malla espacial tridimensional de celdas, y dentro de cada celda de esa malla espacial tridimensional resuelve las mismas ecuaciones de movimiento, para luego dejar que las celdas vecinas de la malla espacial tridimensional intercambien masa, energía y momento entre sí y hagan evolucionar al sistema climático completo en el tiempo. A partir de los parámetros del modelo de dos cajas —cuánto calor entra a la caja de superficie, cuánto calor pasa de la caja de superficie a la caja de océano profundo, y qué tan rápido responde cada caja— se puede calcular directamente tanto la sensibilidad climática transitoria como la sensibilidad climática de equilibrio del sistema climático completo, sin necesidad de resolver una malla espacial tridimensional para obtener esos mismos dos números. Los modelos de circulación general son el tipo de modelo climático que resuelve, en cada celda de la malla espacial tridimensional, las ecuaciones primitivas de la atmósfera: la ecuación de conservación de masa, la ecuación de movimiento —que incluye la fuerza que resulta de la rotación de la Tierra—, la ecuación que sigue el principio de conservación de la energía aplicado al aire, la relación entre la presión, la temperatura y la densidad del aire propia de un gas que se comporta de forma ideal, y la ecuación de conservación del vapor de agua.
ID:3109
Grupo 2: Grupo 2: Ecuaciones primitivas atmosféricas
Descripción
Ecuaciones primitivas de la atmósfera
Pregunta clave: ¿Qué balances físicos resuelve un modelo de circulación general dentro de cada celda?
Ecuaciones primitivas de la atmósfera Los modelos de circulación general son el tipo de modelo climático que resuelve, en cada celda de la malla espacial tridimensional, las ecuaciones primitivas de la atmósfera: la ecuación de conservación de masa, la ecuación de movimiento —que incluye la fuerza que resulta de la rotación de la Tierra—, la ecuación que sigue el principio de conservación de la energía aplicado al aire, la relación entre la presión, la temperatura y la densidad del aire propia de un gas que se comporta de forma ideal, y la ecuación de conservación del vapor de agua. Un modelo de circulación general no resuelve estas ecuaciones primitivas de la atmósfera de forma aislada, sino acoplado a un modelo oceánico, un modelo de hielo marino y un modelo de superficie terrestre, de modo que lo que ocurre en la atmósfera modifica lo que ocurre en el océano, en el hielo marino y en la superficie terrestre, y viceversa, en cada paso de tiempo de la simulación. Los modelos de sistema Tierra parten de un modelo de circulación general y le agregan el ciclo interactivo del carbono: en un modelo de sistema Tierra, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera ya no se impone desde afuera como una condición fija, sino que resulta, dentro de la propia simulación, del balance entre las emisiones de dióxido de carbono, la cantidad de dióxido de carbono que los ecosistemas terrestres retiran de la atmósfera y la cantidad de dióxido de carbono que el océano retira de la atmósfera.
ID:3110
Grupo 3: Grupo 3: Acoplamiento entre componentes del sistema climático
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Intercambio bidireccional entre componentes
Pregunta clave: ¿Cómo interactúan atmósfera, océano, hielo marino y superficie terrestre?
Intercambio bidireccional entre componentes Un modelo de circulación general no resuelve estas ecuaciones primitivas de la atmósfera de forma aislada, sino acoplado a un modelo oceánico, un modelo de hielo marino y un modelo de superficie terrestre, de modo que lo que ocurre en la atmósfera modifica lo que ocurre en el océano, en el hielo marino y en la superficie terrestre, y viceversa, en cada paso de tiempo de la simulación. Cada modelo climático divide la atmósfera y el océano en una malla espacial tridimensional de celdas, y dentro de cada celda de esa malla espacial tridimensional resuelve las mismas ecuaciones de movimiento, para luego dejar que las celdas vecinas de la malla espacial tridimensional intercambien masa, energía y momento entre sí y hagan evolucionar al sistema climático completo en el tiempo. El modelo conceptual estándar dentro de los modelos de balance energético es el modelo de dos cajas, que representa al sistema climático como una caja de superficie y una caja de océano profundo que intercambian calor entre sí, y que sirve para calcular tanto la respuesta transitoria del sistema climático a un forzamiento dado como la respuesta de equilibrio del sistema climático al mismo forzamiento dado.
ID:3111
Grupo 4: Grupo 4: Resolución espacial y parametrizaciones sub-malla
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Parametrización sub-malla
Pregunta clave: ¿Cómo se representan procesos físicos menores que una celda?
Parametrización sub-malla Muchos procesos físicos relevantes —la convección, la formación de nubes, la turbulencia cerca de la superficie y las ondas de gravedad atmosféricas— ocurren a una escala más pequeña que el tamaño de una sola celda de esa malla espacial tridimensional, y como un modelo de circulación general no puede resolver directamente algo más pequeño que su propia celda, estos procesos sub-malla se representan mediante parametrizaciones: reglas simplificadas que estiman el efecto promedio de ese proceso sub-malla sobre el resto de la celda, sin necesidad de resolverlo explícitamente. La resolución típica de la malla espacial tridimensional que usan los modelos de circulación general más recientes es de entre cincuenta y cien kilómetros por celda en la atmósfera y de entre veinticinco y cincuenta kilómetros por celda en el océano, con entre cincuenta y cien niveles verticales repartidos entre la superficie y la parte alta de la atmósfera o la profundidad del océano. Cada modelo climático divide la atmósfera y el océano en una malla espacial tridimensional de celdas, y dentro de cada celda de esa malla espacial tridimensional resuelve las mismas ecuaciones de movimiento, para luego dejar que las celdas vecinas de la malla espacial tridimensional intercambien masa, energía y momento entre sí y hagan evolucionar al sistema climático completo en el tiempo.
ID:3112
Grupo 5: Grupo 5: Ciclo interactivo del carbono en modelos de sistema Tierra
Descripción
Balance interactivo de carbono
Pregunta clave: ¿Cómo emerge la concentración atmosférica de CO2 del balance de fuentes y sumideros?
Balance interactivo de carbono Los modelos de sistema Tierra parten de un modelo de circulación general y le agregan el ciclo interactivo del carbono: en un modelo de sistema Tierra, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera ya no se impone desde afuera como una condición fija, sino que resulta, dentro de la propia simulación, del balance entre las emisiones de dióxido de carbono, la cantidad de dióxido de carbono que los ecosistemas terrestres retiran de la atmósfera y la cantidad de dióxido de carbono que el océano retira de la atmósfera. Cuanto mayor es la cantidad de dióxido de carbono que los ecosistemas terrestres y el océano retiran de la atmósfera dentro de un modelo de sistema Tierra, menor es la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera que ese mismo modelo de sistema Tierra termina calculando para un mismo nivel de emisiones. De este modo, los cuatro tipos de modelos climáticos descritos —los modelos de balance energético, los modelos de complejidad intermedia, los modelos de circulación general y los modelos de sistema Tierra— forman un mismo espectro de modelos climáticos que va desde unas pocas ecuaciones capaces de dar la respuesta climática global hasta una malla espacial tridimensional completa con el ciclo del carbono resuelto de forma interactiva, y la elección de qué modelo climático usar depende de si lo que se necesita es velocidad y simplicidad conceptual, como en los modelos de balance energético, o el máximo detalle físico y geográfico posible, como en los modelos de sistema Tierra.
ID:3113
Grupo 6: Grupo 6: Modelo de balance energético de dos cajas
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Intercambio de calor superficie–océano profundo
Pregunta clave: ¿Cómo se representa la respuesta climática global con pocas ecuaciones?
Intercambio de calor superficie–océano profundo A partir de los parámetros del modelo de dos cajas —cuánto calor entra a la caja de superficie, cuánto calor pasa de la caja de superficie a la caja de océano profundo, y qué tan rápido responde cada caja— se puede calcular directamente tanto la sensibilidad climática transitoria como la sensibilidad climática de equilibrio del sistema climático completo, sin necesidad de resolver una malla espacial tridimensional para obtener esos mismos dos números. El modelo conceptual estándar dentro de los modelos de balance energético es el modelo de dos cajas, que representa al sistema climático como una caja de superficie y una caja de océano profundo que intercambian calor entre sí, y que sirve para calcular tanto la respuesta transitoria del sistema climático a un forzamiento dado como la respuesta de equilibrio del sistema climático al mismo forzamiento dado. De este modo, los cuatro tipos de modelos climáticos descritos —los modelos de balance energético, los modelos de complejidad intermedia, los modelos de circulación general y los modelos de sistema Tierra— forman un mismo espectro de modelos climáticos que va desde unas pocas ecuaciones capaces de dar la respuesta climática global hasta una malla espacial tridimensional completa con el ciclo del carbono resuelto de forma interactiva, y la elección de qué modelo climático usar depende de si lo que se necesita es velocidad y simplicidad conceptual, como en los modelos de balance energético, o el máximo detalle físico y geográfico posible, como en los modelos de sistema Tierra.
ID:3114
Grupo 7: Grupo 7: Espectro de complejidad y elección del modelo
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Complejidad del modelo climático
Pregunta clave: ¿Cómo se ordenan y eligen los tipos de modelos climáticos según detalle y simplicidad?
Complejidad del modelo climático De este modo, los cuatro tipos de modelos climáticos descritos —los modelos de balance energético, los modelos de complejidad intermedia, los modelos de circulación general y los modelos de sistema Tierra— forman un mismo espectro de modelos climáticos que va desde unas pocas ecuaciones capaces de dar la respuesta climática global hasta una malla espacial tridimensional completa con el ciclo del carbono resuelto de forma interactiva, y la elección de qué modelo climático usar depende de si lo que se necesita es velocidad y simplicidad conceptual, como en los modelos de balance energético, o el máximo detalle físico y geográfico posible, como en los modelos de sistema Tierra. Entre los modelos de balance energético, en un extremo, y los modelos de circulación general y los modelos de sistema Tierra, en el otro extremo, se ubican los modelos de complejidad intermedia: usan representaciones simplificadas de muchos de los procesos físicos que un modelo de circulación general resuelve de forma explícita en su malla espacial tridimensional, pero a diferencia de un modelo de balance energético sí incluyen la geografía real de los continentes y los océanos, y también incluyen algunos de los ciclos biogeoquímicos que un modelo de sistema Tierra resuelve con mayor detalle. En el otro extremo de complejidad frente a los modelos de circulación general y los modelos de sistema Tierra están los modelos de balance energético, representaciones de dimensión reducida que capturan la respuesta climática global del sistema climático con apenas unas pocas ecuaciones, en vez de resolver una malla espacial tridimensional completa.
ID:3115