thumb|Klimamodeller er systemer af differentialligninger baseret på de grundlæggende love for fysik, fluiddynamik og kemi. For at køre en simulation opdeler forskere planeten i et tredimensionelt gitter, anvender de grundlæggende ligninger og evaluerer resultaterne. Atmosfæremodeller beregner vind, varmeoverførsel, stråling, relativ fugtighed og overfladehydrologi inden for hvert punkt og evaluerer interaktioner med tilstødende punkter.Billedteksten her er oversat fra ledsageteksten til billedet på Commons Klimamodeller er modeller, der beregner forskellige klimaparametre som temperatur, tryk, vind og luftfugtighed. Der findes en række forskellige typer klimamodeller, fra meget enkle energibalancemodeller til de mest avancerede jordsystemmodeller. Et fællestræk ved de fleste klimamodeller er, at de er baseret på matematiske ligninger, der beskriver fysiske og kemiske love.Fra artikel med 'Fri gjenbruk' : "Klimamodeller" i Store norske leksikon (2019, 17. juli). Af Rasmus Benestad, fagmedarbeider ved norsk 'Meteorologisk institutt'. (https://snl.no/klimamodeller) Klimamodeller kan imidlertid også være kvalitative, for eksempel beskrivelser af mulige fremtidige tilstande: "... 'Modeller' er oftest numeriske simuleringer af systemer i den virkelige verden, kalibreret og valideret ved hjælp af observationer fra eksperimenter eller analogier, og derefter afviklet ved hjælp af inputdata, der repræsenterer fremtidens klima. Modeller kan også i vid udstrækning omfatte beskrivende fortællinger om mulige fremtider som dem der bruges ved opbygning af mulige scenarier. Kvantitative og beskrivende modeller bruges ofte sammen. ..." Om de modeller der bruges. Citater fra IPCC, FN's klimapanel :
Fra IPCC 2013 : "The models used in climate research range from simple energy balance models to complex Earth System Models (ESMs) requiring state of the art high-performance computing. The choice of model depends directly on the scientific question being addressed ..." (Dansk resumé : 'De modeller, der bruges i klimaforskning, spænder fra enkle energibalancemodeller til komplekse Earth System Models (ESM'er), der kræver avanceret databehandling af høj ydeevne. Valg af model afhænger direkte af det videnskabelige spørgsmål, der behandles ...') Citat fra "Evaluation of Climate Models" fra Ipcc.ch, IPCC – Fra afsnittet : 9.1.2 "Overview of Model Types to Be Evaluated" – (Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change) –
Andre korte formuleringer til introduktion af emnet: Punktet 'Klimamodel' på "Klimaord forklaret" fra Dmi.dk har også en kort formulering "What is a climate model?" fra Carbonbrief.org, jan. 2018 – Med bl.a. illustrationer til udviklingen af globale klimamodeller fra 1970'erne og frem (first (“FAR”) fra 1990, second (“SAR”) fra 1995, third (“TAR”) fra 2001 ...) "Climate Models" . Kort gennemgang fra Climate.gov tilknyttet NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration Om forskellige typer af klimamodeller: "What are the different types of climate models?" fra Crescendoproject.eu, 2018 "3.1.2 Types of models" fra Climate.be
I 2021 blev halvdelen af Nobelprisen i fysik givet til Syukuro Manabe og Klaus Hasselmann for deres arbejde med at udvikle præcise klimamodeller.
Energibalancemodeller Disse modeller (EBCM) er ofte baseret på en simpel matematisk ligning, der beskriver planetens energibalance. De beskriver ofte Jordens globale gennemsnitstemperatur som en funktion af ændringer i energien modtaget fra Solen, ændringer i klodens evne til at reflektere lys og varmetab i forbindelse med ændringer i temperatur eller atmosfærens sammensætning. "...I 1950'erne gav enkle energibalancemodeller med analytiske løsninger vigtig indsigt i klimafølsomhed og processer som albedo-feedback fra isdækkede områder. ..." fra Nap.edu (National Academy of Sciences) "... Energimæssige klimamodeller (EBCM'er) er blevet brugt i undersøgelser af klimaændringer i mere end et kvart århundrede. Nogle papirer findes allerede før det, men den udbredte anvendelse af disse enkle modeller blev gjort populær af den næsten samtidige udgivelse af artikler af Budyko (1968) og Sellers (1969) ..." fra Researchgate.netSe mere om 'energibalancemodeller': "Strategies for Developing Climate Models: Model Hierarchy, Resolution, and Complexity" fra Nap.edu (National Academy of Sciences) har i indledningen : "... In the 1950s, simple energy-balance models of climate with analytical solutions gave important insights into climate sensitivity and processes such as ice-albedo feedback. In the 1960s and 1970s, simple column radiative-convective equilibrium models were used to interpret the behavior of early atmospheric general circulation models. ..." "Energy-balance climate models" fra Researchgate.net har : "... Energy-balance climate models (EBCMs) have been used in studies of climate change for more than a quarter of a century. Some papers can be found even before that, but the widespread use of these simple models was made popular by the nearly simultaneous appearance of the papers by Budyko (1968) and Sellers (1969). ..." fra "A very simple energy-balance climate mode" fra Climateprediction.net "Tim Osborn: Climate models for teaching" – University of East Anglia har afsnit om 'simple energy balance models'
Eksempel
En meget simpel model for energibalance kan findes ved at sætte den indkommende absorberede solstråling lig Jordens langbølgede udstråling.
Solens bidrag er givet ved effekten pr. areal gange jordskivens areal gange andelen , der bliver absorberet. Her er Jordens radius, mens er Jordens albedo.
Jordens udstråling er derimod givet ved Stefan-Boltzmanns lov gange jordens overfladeareal gange emissiviteten , der angiver, hvor meget der ikke bliver absorberet af skyer, drivhusgasser el.lign.
Ligningen bliver altså:
hvor er Jordens effektive gennemsnitstemperatur, og er Stefan-Boltzmanns konstant.
Temperaturen ved ligevægt er altså givet ved:
Denne formel giver en effektiv temperatur på .
Med denne simple model er det ligetil at se, hvad en ændring i modelparametrene , og vil betyde for Jorden. Som et ekstremt eksempel ville en halvering i emissiviteten - dvs. at Jorden kun udstråler halvt så meget, som den plejer - forårsage en stigning i temperaturen med en faktor . Den effektive temperatur ville dermed stige til omkring .
Modellen siger dog ikke noget om, hvad der forårsager ændringer i modelparametrene, og den tager heller ikke højde for variationer på Jorden. Den er således en nul-dimensionel model.
Strålingsmodeller Strålingsmodeller rækker fra enkle til mere avancerede fysiske modeller. De beskriver hvordan sollyset trænger ind i atmosfæren og varmestrålingen optages af forskellige gasser. De gør ofte rede for forskellige bølgelængder og kemiske sammensætninger, er baseret på fysiske love og sammenholdes ofte med observationer. (Se strålingspåvirkningOm 'strålingsmodeller': "Climate and Earth’s Energy Budget" fra Nasa.gov af Rebecca Lindsey, jan. 2009 – Længere artikel med tekst og illustrationer "Learning from a simple model" fra Realclimate.org – Om opbygningen af en enkel model ('... Why does ‘radiative forcing’ work as method for comparing different physical impacts on the climate, and why you can’t calculate climate sensitivity just by looking at the surface energy budget. There will be mathematics, but hopefully it won’t be too painful. ...') Fra glossar om: 'radiative–convective equilibrium' fra Ametsoc.org (American Meteorological Society) )
Statistiske modeller De statistiske modeller er ofte enkle modeller med for eksempel beskrivelse af, hvordan vindmønstre er forbundet med forskellige forhold, som for eksempel havtemperaturer, og hvordan den gennemsnitlige vind over et større område påvirker den gennemsnitlige havoverfladetemperatur over et tilsvarende område.
Ofte er de statistiske modeller inspireret af de fysiske love og inkluderes ofte som en lille del af de mere komplicerede modeller ved at beskrive den virkning lokale processer har for de omkringliggende områder. Statistiske modeller bruges også til at beskrive lokale klimatiske træk.Om statistiske metoder: "Evaluation of Climate Models" fra Climatechange2013.org (Working Group I to the Fifth Assessment Report) har afsnit om statistiske metoder: 9.6.2.1 Recent Developments of Statistical Methods 9.2.2.3 Statistical Methods Applied to Ensembles
Idealiserede cirkulationsmodeller Det er mere avancerede modeller, der beskriver temperatur, tryk, vind og fugtighed, og hvordan disse varierer fra sted til sted. Modellerne er ofte baseret på generelle cirkulationsmodeller (GCMKlimaleksikon.dk har en side om generelle cirkulationsmodeller (GCM) : "Generel cirkulationsmodel" –* Om akronymet 'GCM' fra den engelseke side : 'Terminology' : Dansk resumé: "Akronymet 'GCM' stod oprindeligt for General Circulation Model. For nylig kom en anden betydning i brug, nemlig Global Climate Model. Selv om de ikke henviser til det samme, er generelle cirkulationsmodeller typisk de værktøjer, der bruges til modellering af klima, og derfor bruges de to udtryk undertiden om hinanden. Imidlertid er udtrykket "global klimamodel" tvetydigt og kan henvise til en integreret ramme (en: 'integrated framework'), der indeholder flere komponenter, herunder en generel cirkulationsmodel, eller kan henvise til den generelle klasse af klimamodeller, der bruger forskellige måder at repræsentere klimaet matematisk." ), dvs. et computerprogram, der beskriver planetens atmosfære som et gitternet i flere lag. Modellen beregner flere værdier (fx temperaturer, vind, tryk og fugtighed) i hver af cellerne i gitternettet.
De idealiserede cirkulationsmodeller har meget til fælles med vejrprognosemodeller (vejrudsigter), der bruges flere gange dagligt og består af lignende cirkulationsmodeller. Forskellen mellem disse og klimamodellerne er, at en numerisk vejrprognose er baseret på det aktuelle vejr og beregner, hvordan det vil udvikle sig i de næste timer og dage, mens klimamodellerne er baseret på, hvordan ændringer i forhold som drivhusgasser og solstråling påvirker vejrstatistikken, dvs. klimaet.
Regionale klimamodeller Regionale klimamodeller (RCM) er cirkulationsmodeller, der kun beskriver et begrænset område. Disse modeller er slået sammen til en global cirkulationsmodel, hvilket gør det muligt for RCM at have gyldige værdier ved grænserne.