全球气候模式

大气环流模式（General Circulation Model，GCM）是描述行星大气或海洋的数学模型。它是基于旋转球体的纳维－斯托克斯方程，包括热力学项来反映很多能量源（比如辐射、潜热）。这些方程式用于模拟地球大气或海洋的复杂计算机程序的基础。大气和海洋环流模式（AGCM和OGCM）、海冰、陆地表面过程是全球气候模式（Global Climate Model）的关键成分。大气环流模式和全球气候模式被广泛的应用与天气预报、理解气候、预测气候变化等方面。用于研究十年到百年时间尺度的气候的模式最早是由真锅淑郎（英语：Syukuro Manabe）和科克·布莱恩（英语：Kirk Bryan (oceanographer)）在位于普林斯顿的地球物理流体动力学实验室（英语：Geophysical Fluid Dynamics Laboratory）里创造的。这些需要大量计算的数值模式集成了流体力学、化学、有时还有生物学的各类方程。“GCM”这个缩写经常被用来代指“全球气候模式”或“大气环流模式”。虽然这两类模式不完全一样，但大气环流模式通常是用来模拟气候的工具。因此这两个术语有时在讨论气候模式（英语：Climate model）时也常被交替使用。1956年诺曼·菲利普斯（Norman Phillips）提出了一个可以真实描述对流层的月和季度天气模式的数学模型，该模型成为第一个成功的气候模式（英语：Climate model）。紧接着菲利普斯的工作，几个研究小组开始创造“大气环流模式”。第一个包含有海洋和大气过程的大气环流模式是在20世纪60年代由NOAA的地球物理流体动力学实验室（英语：Geophysical Fluid Dynamics Laboratory）发展起来的。到了20世纪80年代早期，美国的美国国家大气研究中心（英语：National Center for Atmospheric Research）已经发展出社群大气模式，其后还得到不断的完善，直到21世纪还在使用。在1996年，模式中开始考虑和模拟土壤和植被类型，从而得到更接近真实的预报。目前，海洋-大气相互耦合的气候模式被用来研究气候变化，比如哈德利气候预测与研究中心（英语：Hadley Centre for Climate Prediction and Research）开发的HadCM3（英语：HadCM3）模式。直到20世纪80年代中期，重力波的重要性才被意识到并在模式中考虑。如今，为了正确的模拟区域和全球尺度的大气环流，全球气候模式必须包括重力波，即使重力波的宽谱使得结合他们很复杂。实际的大气与地球表面之间有交互作用的存在，为了更接近实际状况而演化出耦合模式(couple model)。尤以占地球面积最大的海洋，温度受到大气作用而每分每秒都在变化，海面的温度也会反馈给大气。大气模式预报一个时间步长后将结果传达给海洋模式，海洋模式接着预报一时间步长并回传，两模式彼此循环预报成为海气耦合环流模式（CGCM或AOGCM）。而海洋模式、海冰模式、路面蒸散模式、河流径流模式...等，由许多模式构成整个全球耦合环流模式便成了完整的气候模式基础，在此架构下，便可以用来探讨气候变迁的反应(例如Sun和Hansen，2003)。三维环流模式将流体运动的方程离散化，然后对时间做向前积分。这些模式也会包含对一些尺度过小而不能直接解析的过程（比如对流）的参数化。随着对模式要求越来越多，更复杂的模式还可能包括代表碳循环、气溶胶与化学元素、碳循环、水循环、陆地使用种类…等，未来更可能将生物也考虑进去。简化大气环流模式（SGCM），缩小版的GCM，一般包含一个动力核心，将物质属性（比如温度）和动力属性（比如压力和速度）联系起来。比如，求解原始方程组（英语：primitive equations）的程序就是例子。被给的能量输入到模式中，能量以摩擦力的形式耗散，乃至波数最高的那些大气波（英语：atmospheric wave）被衰减的最厉害。这样的模式可以被用来在简化的框架里研究一些大气过程，但不适合预测将来的气候。