Table of Contents
وقد انتقل تغير المناخ من اهتمام علمي بعيد إلى واقع في الوقت الحاضر، وإعادة تشكيل النظم الإيكولوجية، وتكثيف الظروف المناخية، وتحدي المجتمعات في جميع القارات، ولإشعال هذا التحول غير المسبوق، يعتمد العلماء على الأدوات الحاسوبية المتطورة في المناخ التي تحاكي نظام الأرض المناخ، ومع ذلك فإن هذه النماذج ليست مجرد توقعات آلية؛ وهي حاسمة في فهم كيفية تمكين انبعاثات غازات الدفيئة، وتغيرات استخدام الأراضي، واختلاف أنماط التكيف الطبيعية.
ما هي نماذج المناخ؟
إن نماذج المناخ في صميمها تمثل صورا رياضية لنظام المناخ الأرضي، وهي تترجم القوانين المادية مثل حفظ الطاقة والزخم والمعادلات الجماعية التي تصف سلوك الغلاف الجوي والمحيطات وسطح الأرض والجليد، وهذه المعادلات تُحل على شبكة ثلاثية الأبعاد تقسم الكرة الأرضية إلى آلاف الخلايا، وكلها تمثل حجماً محدداً من الهواء أو الماء.
ويميز نماذج المناخ عن نماذج الطقس حسب توقيتها، وبينما تنبأ نماذج الطقس بالظروف قبل أيام، فإن نماذج المناخ تمتد لعقود إلى آلاف السنين، وتستوعب الاتجاهات والمتوسطات الطويلة الأجل، وتعتمد على مدخلات قائمة على سيناريوهات، مثل مسارات التركيز التمثيلية [FCPs] أو سيناريوهات النمو الجديدة
أنواع نماذج المناخ
وتختلف نماذج المناخ من حيث التعقيد والغرض، ففئاتها الرئيسية الثلاث هي نماذج توازن الطاقة، والنماذج العامة للتداول، والنماذج المناخية الإقليمية، وهي فئة جديدة، نماذج لنظم الأرض، تدمج الدورات الكيميائية الحيوية، مما يجعلها أكثر شمولا.
نماذج ميزان الطاقة
إن تدابير بناء الثقة هي أبسط أشكالها، مع التركيز على التوازن بين الإشعاع الشمسي القادم والإشعاع الحراري الخارجي، وهي تعامل الأرض كنقطة واحدة أو كمجموعة من النطاقات المهترئة، وتتجاهل العمليات المكانية المفصلة، وفي حين أن تدابير بناء الثقة لا يمكن أن تحاكي الأنماط الجوية الإقليمية، فإنها مفيدة لاستكشاف الحساسية الأساسية للمناخ - كم من نتائج الاحترار الشديد من زيادة معينة في ثاني أكسيد الكربون.
نماذج عامة للتداول
(ب) إن آليات إدارة المناخ، التي تسمى أيضاً نماذج المناخ العالمية، هي أجهزة قياسية لعلوم المناخ، وهي تحفيز الغلاف الجوي والمحيطات بثلاثة أبعاد، وحل أنماط التداول الواسعة النطاق مثل مسارات الطائرات، وتيار المحيطات، والمون، وتعمل أجهزة قياسية متطورة ذات أبعاد متعددة، وتحتوي على ملامح مثل مسارات العواصف، وعشرات من الأحداث التي تُجرى في إطار نهج " النينيو " .
Regional Climate Models (RCMs)
وتستهدف عمليات المحاكاة العالمية التي تتم على نطاق واسع، والتي تُعد مقياساً يتراوح بين 1 و25 كيلومتراً مربعاً، مثل قارة أو طائفة جبلية، ويستوعب هذا القرار الأعلى الطبوغرافيا المحلية، والسواحل، وأنماط استخدام الأراضي التي تؤثر على التهطال ودرجة الحرارة، وعلى سبيل المثال، يمكن لآلية التنسيق الإقليمي أن تُحاكي كيف تُغير أمواج الأمطار الموسمية أو كيف تُضخمُرُ الجُزرُرُ الحرارية الحضرية.
نماذج نظام الأرض
(ب) أن النظام الآلي للبيانات البيئية يشمل دورات تفاعلية للكيمياء الأحيائية - الكربون والنيتروجين والكبريت وكذلك ديناميات الغطاء النباتي والإيكولوجيا في المحيطات، ويمثل تعليقات مثل كيفية تأثير ثاني أكسيد الكربون على نمو النباتات (أثر تخصيب ثاني أكسيد الكربون) وكيفية صنع الميثاني لإطلاقات الفارغة (الثانية عشرة) (النموذج ESMs) بالغة الأهمية لدراسة التغذية المرتدة من غازات الدفيئة ولتوقعات البيئية)
How Climate Models Work
ويعمل نماذج المناخ عن طريق حل مجموعة من المعادلات التفاضلية التي تصف الديناميات السوائل، وعلم الحرارة، والنقل الإشعاعي، وفي كل خلية من الزوايا، يقوم النموذج بحساب المتغيرات مثل درجة الحرارة، والضغط، والرطوبة، وسرعة الرياح، وملوحة المحيطات في كل مرة على نحو تدريجي كل 30 دقيقة للغلاف الجوي وبساعات قليلة للمحيط، وتشمل الخطوات الرئيسية الاستبدادات، والإدماج، والسيناريو بالنسبة للمحيطات.
الاستهلالية والتأهيل
ويجب أن تُستهل النماذج بمجالات حركية البيانات الملاحظ، والغطاء الجليدي، والتكوين الجوي لتمثيل المناخ الحالي، لأن الملاحظات غير كاملة، فإن النماذج تخضع لفترة " أساسية " حيث تدار عقوداً تحت الضغط المستمر للوصول إلى التوازن، ويضمن التقلب الداخلي (مثل التيارات المحيطية) أن يتوافق مع الدولة الملاحظة قبل بدء عمليات المحاكاة السيناريوهات.
Scenario Forcing
ويقود النموذج، بعد أن يرتفع، إلى الحساسية الخارجية: تركيزات غازات الدفيئة، والهيروسول، والإشعاع الشمسي، والانفجارات البركانية، والتغيرات في استخدام الأراضي، وفيما يتعلق بالتوقعات المقبلة، فإن هذه الإكراهات تتبع السيناريوهات المقررة.
عمليات محاكاة جماعية
وحساب التقلبات المناخية الداخلية مثل العلماء النينيو يديرون عمليات محاكاة متعددة ذات ظروف أولية مختلفة قليلاً ويمكن لمجموعة من ال ٣٠ عضواً أن تلتقط انتشار التقلبات الطبيعية، مما يتيح للباحثين التمييز بين تغير المناخ القسري والضوضاء، ويعطي معنى التجمع أكثر المسارات احتمالاً، بينما يُعد الانتشار درجة من عدم اليقين.
العناصر الرئيسية لنموذج المناخ
ويمثّل كل عنصر من عناصر النظام المناخي نموذج فرعي يتبادل المعلومات مع الآخرين في الواجهات البينية بين المحيط الأرضي والغلاف الجوي.
العناصر الجوية
وهذه المحاكاة هي تداول الهواء، والنقل الإشعاعي (العزل والأشعة تحت الحمراء)، والفيزياء السحابية، والتهطال، والكيمياء، ولا تزال الأنهار تشكل أحد أكبر مصادر عدم اليقين لأنها باردة (بعكس ضوء الشمس) ودفيئة (بحرارة التخريب) الأرض، وتتم باستمرار صقل مواصفات الاحتواء والفيزياء الدقيقة باستخدام عمليات الرصد الساتلية والحملات الميدانية.
المكونات البحرية
وتحفز نماذج المحيطات التيارات ودرجات الحرارة والملوحة والثلج البحري، وتستوعب المحيطات حوالي 90 في المائة من الحرارة الزائدة عن الاحترار العالمي، مما يجعل التمثيل الدقيق للمحيطات أمرا بالغ الأهمية في عرض ارتفاع مستوى سطح البحر وارتفاع الحرارة، كما أن للخصائص مثل دائرة التقلبات الرطبة في المحيط الأطلسي أثرا عميقا على المناخ الإقليمي؛ وتساعد النماذج على تقييم الكيفية التي يمكن بها أن تضعف حركة المركبات الجوية في ظل الاحترار.
العناصر السطحية للأراضي
وتستخدم نماذج الأراضي التي تلتقط النباتات ورطوبة التربة والغطاء الجليدي والهيدرولوجيا السطحية، وهي تحاكي عمليات مثل التبخر والهروب وسحب الكربون من النباتات، وتستخدم على نطاق واسع نموذج الأراضي الجامدة [FLM] ، وتُستخدم تغيرات استخدام الأراضي في التحريج والتحضر في المناخ عن طريق تغيير الطحالب السطحية.
مكونات الغلاف الجوي
وتُنظَّم صحائف الجليد (غرينلاند، أنتاركتيكا)، والجليد، والجليد البحري بمعادلة دينامية تستأثر بالتدفق الجليدي، والذوبان، والحساب.() وتكتسي نماذج صحائف الجليد أهمية خاصة بالنسبة للإسقاطات الطويلة الأجل على مستوى البحر، ولكنها لا تزال تحدّية بسبب الديناميات المعقدة لخط الأرض والهيدرولوجيا دون الجليدية.
العناصر الكيميائية الحيوية
وتشمل هذه العناصر دورات الكربون والنيتروجين والعناصر الأخرى، وهي تُعدّل تركيبات الصور، والتنفس، والتحلل، وكيمياء الكربون في المحيطات، وهذه المكونات تتيح إجراء دراسات عن التغذية المرتدة: مثلاً، كيف يعجل الاحترار بتفكك التربة، ويطلق المزيد من ثاني أكسيد الكربون، مما يُضاعف بدوره من الاحترار - ما يسمى " التغذية المرتدة من الكربون " .
أهمية نماذج المناخ
ولا غنى عن نماذج المناخ لفهم مسار الاحترار العالمي ولرسم سياسة قائمة على الأدلة، إذ إن [الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ] يعتمد على مجموعات متعددة النماذج من لجنة البرنامج والتنسيق لإعداد تقارير التقييم، وهذه التقارير، بدورها، تشكل الأساس العلمي للاتفاقات الدولية مثل اتفاق باريس، بدون نماذج، لا يمكن أن نكتفي بتلقي ملاحظات تاريخية وتفاعلات بسيطة.
كما تساعد النماذج على تحديد " إسناد " الأحداث المتطرفة، وباستخدام تقنية تسمى إسناد الأحداث، يقارن العلماء المحاكاة بغازات الدفيئة التي يتسبب فيها الإنسان ودونها لتحديد مدى زيادة تغير المناخ احتمال أو كثافة موجة حرارية أو فيضانات أو جفاف، وهذه المعلومات حيوية للحالات القانونية، وتقييم مخاطر التأمين، وتخطيط الهياكل الأساسية.
تطبيقات نماذج المناخ
وتتلخص نواتج نماذج المناخ في طائفة واسعة من التطبيقات العملية، وتسترشد بها القرارات على الصعد العالمية والوطنية والمحلية.
وضع السياسات والاتفاقات الدولية
(ب) التوقعات النموذجية التي تستند إلى أهداف الانبعاثات: ] المساهمات المحددة وطنياً لكل بلد يتم تقييمها على مسارات قائمة على نماذج لتحديد ما إذا كانت متسقة مع الحد من الاحترار إلى 1.5 درجة مئوية أو 2 درجة مئوية.
التأهب للكوارث وإدارة المخاطر
وتوفر نماذج التقليص الإقليمية توقعات عالية الاستبانة للتهطال الشديد، والموجات الحرارية، وتدفقات العواصف، وتساعد هذه البيانات المدن على تصميم نظم الصرف، وبناء جدران البحر، وتطوير نظم الإنذار المبكر، وعلى سبيل المثال، تستخدم ]City of New York] إسقاطات نموذجية للمناخ لتوجيه تخطيطها لمرونة الركبة بعد إعصار ساندي.
إدارة الموارد
ويعتمد قطاع الزراعة والمياه والطاقة على النواتج النموذجية للمناخ، ويستخدم المزارعون التنبؤات الموسمية لاكتشاف أنواع المحاصيل ومواعيد الزراعة، ويستخدم مديرو موارد المياه إسقاطات حزمة الثلج والهروب لتخصيص إطلاقات الخزانات، ويستخدمون نموذج مقدمي الطاقة تغيير الطلب على التدفئة والتبريد، فضلا عن توافر موارد الرياح والطاقة الشمسية، لتخطيط الاستثمارات في الشبكة.
الصحة العامة
وتساعد نماذج المناخ في التنبؤ بانتشار الأمراض المنقولة بواسطة ناقلات الأمراض مثل الملاريا والكثبان، التي تتسم بالحساسية إزاء درجة الحرارة والتنبؤ، كما أنها تسترشد بخطط العمل المتعلقة بالصحة الحرارية من خلال عرض تواتر وشدة الموجات الحرارية.() وتستخدم منظمة الصحة العالمية بيانات نموذجية عن المناخ لتقييم الأعباء الصحية في المستقبل في إطار سيناريوهات مختلفة للانبعاثات.
Challenges in Climate Modeling
ورغم تطورها، تواجه نماذج المناخ تحديات أساسية تحد من دقتها وفائدتها.
Inherent Uncertainty and Chaos
إن نظام المناخ هو نظام فوضوي: فالاختلافات الصغيرة في الظروف الأولية يمكن أن تؤدي إلى نتائج متباينة، لا سيما على النطاقات الإقليمية، وهذا يعني أن الإسقاطات الطويلة الأجل هي في جوهرها توقعات مرجحة وليس محددة، كما أن النماذج تكافح مع " عدم اليقين الشديد " بشأن السلوك البشري في المستقبل - النمو الاقتصادي، ونشر التكنولوجيا، وخيارات السياسات - التي لا يمكن أن تُصاغ بدنية، بل يجب أن تُوصف عبر سيناريوه.
معايير وقيود القرار
وتُجرى عمليات كثيرة على نطاقات أصغر من الشبكة النموذجية، مما يُجبر على استخدام البارامترات، ويصعب بشكل خاص اختلاط التلويث، والخلط المضطرب، والاختلاط، والاختلاط، كما أن الأخطاء في هذه المخططات الفرعية تُنشر من خلال المحاكاة، وتزداد التسوية إلى المحاكاة الصريحة (حتى وإن كانت السحابية،] نماذج المساعدة على التصريف على بعد كيلومتر واحد.
حدود البيانات
وتحتاج النماذج إلى ملاحظات عالية الجودة من أجل الاستهلال والتثبت والتحسين، ومع ذلك، فإن العديد من المناطق - خاصة المحيطات والمناطق القطبية والبلدان النامية - لديها بيانات متفرقة - بعثات ساتلية مثل نظام رصد الأرض التابع للناسا و قد تظل البيانات المتعلقة بكوكبية الفضاء ( محسنة.
الارتداد النموذجي والأخطاء الهيكلية
وغالباً ما تنتج نماذج مختلفة توقعات مختلفة، حتى في ظل السيناريو نفسه، تعكس هذه " الانتشار النموذجي " حالات عدم التيقن الهيكلي، والخطط العددية، والعمليات المفقودة، فعلى سبيل المثال، تتراوح حساسية المناخ المتوازن بين 1.8 درجة مئوية و5.5 درجة مئوية.
Addressing Uncertainty in Climate Models
ويستخدم العلماء استراتيجيات متعددة للحد من عدم اليقين وتحديده كميا.
النموذج المتعدد الوسائط
وكثيراً ما يُسفر تشغيل العديد من النماذج وحساب نواتجها عن توقعات تضاهي الملاحظات بشكل أفضل من أي نموذج واحد، ويتيح انتشار المجموعة قدراً من الثقة، وCMIP6 متعددة النماذج ] هو الأساس المعياري لتوقعات الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ، ويمكن أن يؤدي وضع نماذج مطولة تستند إلى الأداء التاريخي إلى زيادة تحسين الموثوقية.
استيعاب البيانات
ويجمع استيعاب البيانات بين محاكاة نموذجية وملاحظات آنية لإنتاج " تحليلات " أفضل تقدير للمناخ الماضي، وتستخدم عمليات تحليل مثل ERA5 ] من المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية المتوسطة الأجل، لتأسيس النماذج الأولية، وتحديد التقنيات الرائدة في مجال العمليات.
تحسين التمثيل المادي
وتركز البحوث الجارية على تحسين المواصفات، لا سيما بالنسبة للسحب والهباء الجوي والاضطرابات، كما أن الحملات الميدانية مثل [MFLT]NASA] ARM (Atmospheric Radiation Measurement) يوفر بيانات عالية الاستبانة لاختبار هذه المخططات وصقلها، وتبرز عمليات رصد المعارف كأداة لتعلم المواصفات من المستويات العالية.
فيزياء مسلية
بدلاً من البارامترات المحددة، تدمج بعض النماذج الآن الاضطرابات العشوائية لتمثيل العمليات التي لم تحل، وهذه الفيزياء البدائية تُحسن واقعية التقلب الداخلي وتساعد على قياس درجة عدم اليقين المتوقع.
Future Directions in Climate Modeling
ويتطور نموذج المناخ بسرعة، مدفوعاً بالتطورات الحسابية وبصيرات علمية جديدة، ويعود العقد المقبل بتغييرات تحولية.
الحاسوب الواسع النطاق والفصل العالي
وسيتيح الحاسوب الكبير (المقدر بـ 1018 عملية في الثانية) إجراء محاكاة عالمية في إطار عملية تحديد الكيلومترات لأول مرة، وستحل هذه النماذج صراحة العواصف الرعدية، وطرق المحيطات، والديناميات الساحلية، مما يقلل الحاجة إلى المواصفات.
الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي
وتُعدّل منظمة العفو الدولية نماذج المناخ من عدة طرق، ويمكن للتعلم الماكني أن يعجل بصياغة عناصر نموذجية باهظة الثمن، وأن يسرع في استخدام البارامترات، وأن يحدد الأنماط في مجموعات البيانات الكبيرة، ويجري استخدام نماذج التعلم العميق للتنبؤ بالأحداث التي تحدثها المنظمة من خرائط درجات الحرارة السطحية البحرية، غير أن هناك حاجة إلى الحذر: يجب أن تظل نماذج الإي آي متسقة جسدياً وعامة في المناخات الجديدة.
التوابع الرقمية للأرض
A "digital twin" is a high-fidelity, real-time replica of the Earth system that can be used for interactive experimentation and decision support. The European Destination Earth (DestinE) initiative aims to build digital twins that link climate models with socioeconomic data, enabling users to explore what if" scenarios for policy risk management.
التجمعات الكبيرة والتجمعات الأولية
ولفهم التقلبات الداخلية والتطرفات النادرة فهما أفضل، يولد العلماء " مجموعات كبيرة " من مئات المحاكاة التي تختلف اختلافا طفيفا في الظروف الأولية.
تعزيز التفاعلات مع علم الأحياء والغطاء الكريستي
وسيزيد من ازدواجية النماذج المستقبلية في دورة الكربون، وصحائف الجليد، والنظم الإيكولوجية البحرية، كما أن النماذج المتشابكة لجداول الجليد - المناخ ضرورية لتوقع ارتفاع مستوى سطح البحر إلى ما بعد عام ٢١٠٠، وبالمثل، فإن النماذج التي تشمل ديناميات الكربون في البرموفر ستحسن التوقعات الطويلة الأجل لغازات الدفيئة.
خاتمة
إن نماذج المناخ قد تطورت من معادلة بسيطة لتوازن الطاقة إلى محاكاة متطورة متعددة العناصر لنظام الأرض، وهي لا غنى عنها لفهم مسار تغير المناخ، وتوزيع الأحداث المتطرفة، وتوجيه جهود التكيف والتخفيف في جميع أنحاء العالم، ومع ذلك فإنها تظل أدوات غير سليمة، مقيدة بالفوضى، والحدود الحسابية، وعدم إمكانية التنبؤ بالخيارات البشرية، فالتكامل المستمر بين نماذج الاستبانة والتعلم على نطاق واسع.