Por que os Modelos Climáticos Globais não Fornecem uma Descrição Realista do Clima Local

Clima global
Estatísticas do clima global, tal como a temperatura média global, fornece bons indicadores de como nosso clima varia (e.g. veja aqui). A maioria das pessoas no entanto, não são afetadas diretamente por estatísticas do clima global. Elas se preocupam com o clima local: a temperatura, chuva e vento onde vivem. Quando olha os impactos de uma mudança de clima ou adaptações específicas a uma mudança do clima, você frequentemente necessita saber como o aquecimento global afetará o clima local.

Ainda assim, a medida em que os modelos de clima globais (GCMs) tendem a descrever a estatística do clima global razoavelmente bem, eles não fornecem uma descrição representativa do clima local. Modelos de clima regional (RCMs) fazem um melhor trabalho em representar clima numa escala menor, mas sua resolução espacial é ainda muito baixa quando comparado com o clima local e como ele pode variar espacialmente em regiões de terreno complexo. Este fato não é um defeito geral dos modelos do clima, mas somente uma limitação.

Características regionais de clima
A maioria de GCMs são capazes de fornecer uma representação razoável de uma caracterização climática regional tal como ENSO, NAO, células de Hadley, ventos alísios e jatos na atmosfera. Eles também fornecem uma descrição realista de padrões chamados de teleconexões, tal como propagação de ondas na atmosfera e no oceano. Estes fenômenos, no entanto, tendem a ter escalas espaciais claramente grandes, mas quando levados à escala local, o GCMs não são mais apropriados.

Escala mínima
Há várias razões para que os GCMs não forneçam uma descrição representativa do clima local (isto é, exatamente onde vivo) . Uma delas é que uma malha de pontos, em que são calculadas as quantidades físicas relevantes para o clima, é demais grosseira (tipicamente 200km) para capturar os aspectos locais. A figura na esquerda mostra uma máscara típica de terra-mar para um GCM.

A distância entre dois pontos da malha num GCM (ou um RCM) é a escala mínima (~200km). Tal resolução tipicamente usada nos GCMs até agora assume que a topografia seja lisa comparada à paisagem real e que alguns países (por exemplo Dinamarca e Itália) não são representados no modelos (um exceção é um GCM japonês com uma resolução espacial extremamente alta).

Os processos de sub-amostragem da malha de pontos são representados por esquemas de parametrização descrevendo o efeito de agregação sobre uma escala maior. Estes esquemas frequentemente são referidos como 'modelo físico' mas realmente são baseadas em modelos físico-estatísticos descrevendo a quantidade média nos pontos da malha de parâmetros relevantes. Os esquemas de parametrização são normalmente baseados em dados empíricos (e.g., medidas de campo ou observações in-situ), e um exemplo típico de um esquema de parametrização é a representação de nuvens.

Os processos de superfície
Os modelos de clima necessitam condições de contorno descrevendo as condições da superfície (e.g. energia e fluxos de vapor) para fornecer uma representação realista do sistema do clima. Esquemas frequentemente simples de parametrização são empregados para fornecer uma descrição razoável, mas estes não capturam os detalhes das variações associadas com escalas espaciais pequenas.

Escala hábil
Os problemas associados com esquemas de parametrização e baixa resolução explicam porque um valor na malha de pontos fornecido pelos GCMs não pode ser representativo para o clima local. Um conceito chamado de escala hábil às vezes tem sido empregado na literatura, ligado ao estudo de Grotch e MacCracken (1991) que acharam resultados de como modelos divergem com a redução da escala espacial. Especificamente, observaram que:

Embora o uso da média seja uma condição necessária para a validação de um modelo, mesmo quando médias [globais] concordam perfeitamente, na prática, diferenças regionais muito grandes ponto-a-ponto devem ocorrem.

Embora não esteja inteiramente claro se este estudo realmente acertou sobre escala hábil, tem sido citado por outros trabalhos, e argumenta-se que a escala hábil seja de aproximadamente 8 pontos da malha. Não obstante, desde os estudos de 1991, o GCMs melhoraram significativamente, e o GCMs estão atualmente ativos durante períodos mais longo e com variações diurnas na insolação.

Regionalização

As figuras acima dão uma ilustração do conceito de regionalização, ou do chamado downscaling. O painel mais acima mostra uma máscara típica de terra-mar de RCM, dando um quadro de sua resolução espacial. O painel do meio mostra uma imagem embaçada de satélite da Europa, que pode ilustrar como os detalhes são perdidos mas fornece um quadro realista em larga escala. Uma imagem mais nítida da Europa é mostrada no painel na imagem mais abaixo. Uma analogia para os dados de GCMs é vista no quadro de baixa resolução (meio) enquanto o modelo regional (RCMs) e o downscaling empírico-estatístico (ESD) põe os óculos para melhorar a acuidade da imagem (direita).

Tanto RCMs como GCMs dão um quadro algo 'embaçado' embora em graus diferentes de acuidade, e RCMs e GCMs são semelhante em muitos aspectos. No entanto, GCMs não só são 'embaçados' mas também envolvem algumas diferenças estruturais mais sérias, tal como um exagero do Estreito de Gibraltar (veja a máscara de terra-mar acima), e a área dos Grandes Lagos, ou a Flórida e Califórnia Baja estão bastante diferentes e não só embaçadas (veja figura abaixo). Tais diferenças estruturais estão também presentes nos RCMs, mas em escalas espaciais muito menores.

(Fonte: NCAR)

Mas as imagens mostradas aqui de modelos presentes de clima realmente não mostram características em baixas escalas de quilômetro que podem influenciar o clima local onde eu vivo, tal como vales, lagos, montanhas e fjords (corredores estreitos e profundos de mar com litoral montanhoso), mesmo para RCMs (as figuras de baixo mostram uma projeção otimista para resolução espacial melhorada em GCMs no futuro próximo). O clima nos fjords da Noruega (pode ser ilustrado pela cobertura de neve) é muito diferente do clima nas montanhas que os separam. Em princípio, ESD pode ser aplicada a qualquer escala espacial, ao passo que o RCMs são limitados por recursos computacionais e a disponibilidade de dados limitantes.

O que é a escala hábil agora?
Minha pergunta é se o conceito de uma escala hábil baseada nos velhos GCMs ainda solicita o estado-da-arte dos modelos. O AR4 do IPCC não diz muito sobre escala hábil, mas meramente declara que

Os Modelos Gerais de Circulação Atmosfera-Oceano não podem fornecer informação em escalas melhores que sua malha de pontos computacional (tipicamente da ordem de 200 km) e processos nas escalas não resolvida são importantes. Fornecendo informação em escalas melhores poderia ser alcançado pelo uso de modelos de dinâmicos ou downscaling estatístico empírico de alta resolução.

O terceiro relatório de avaliação (TAR) meramente declara que 'A dificuldade de simular mudança regional do clima é portanto evidente'. O relatório de avaliação do IPCC 4 (capítulo 11) e o regionalização será discutida numa nova postagem.

Fonte: RealClimate