Bulletin of the American Meteorological Society

Giai đoạn thứ năm của Dự án So Sánh Mô Hình Liên Kết (CMIP5) sẽ tạo ra một tập dữ liệu đa mô hình hiện đại nhằm nâng cao hiểu biết của chúng ta về biến đổi khí hậu và thay đổi khí hậu. Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang phân tích đầu ra của các mô hình và sẽ sản xuất những kết quả khả năng sẽ làm cơ sở cho Báo cáo Đánh giá Thứ năm sắp tới của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu. Đây là một dự án chưa từng có về quy mô và thu hút sự quan tâm từ tất cả các nhóm mô hình khí hậu lớn, CMIP5 bao gồm các mô phỏng “dài hạn” về khí hậu thế kỷ 20 cũng như các dự đoán cho thế kỷ 21 và xa hơn. Các mô hình khí hậu toàn cầu truyền thống về bầu khí quyển và đại dương cùng với các mô hình hệ thống Trái đất có độ phức tạp trung bình lần đầu tiên được kết hợp với các mô hình hệ thống Trái đất phát triển gần đây dưới một thiết kế thí nghiệm cho phép cả hai loại mô hình được so sánh với các quan sát trên cơ sở công bằng. Ngoài những thí nghiệm dài hạn, CMIP5 còn kêu gọi một loạt các mô phỏng “ngắn hạn” hoàn toàn mới tập trung vào các thập kỷ gần đây và tương lai đến năm 2035. Những “dự đoán thập kỷ” này được khởi tạo dựa trên các quan sát và sẽ được sử dụng để khám phá khả năng dự đoán của khí hậu cũng như đánh giá kỹ năng dự đoán của hệ thống dự báo. Thiết kế thí nghiệm CMIP5 cũng cho phép sự tham gia của các mô hình khí quyển độc lập và bao gồm một loạt các thí nghiệm lý tưởng hóa sẽ cải thiện hiểu biết về phạm vi đáp ứng của mô hình được tìm thấy trong các mô phỏng phức tạp và thực tế hơn. Một bộ dữ liệu đầu ra mô hình hết sức toàn diện đang được thu thập và cung cấp tự do cho các nhà nghiên cứu thông qua một kho lưu trữ dữ liệu phân tán nhưng tích hợp. Đối với các nhà nghiên cứu chưa quen thuộc với các mô hình khí hậu, những hạn chế của các mô hình và thiết kế thí nghiệm cũng được mô tả.

The Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model (HYSPLIT), developed by NOAA’s Air Resources Laboratory, is one of the most widely used models for atmospheric trajectory and dispersion calculations. We present the model’s historical evolution over the last 30 years from simple hand-drawn back trajectories to very sophisticated computations of transport, mixing, chemical transformation, and deposition of pollutants and hazardous materials. We highlight recent applications of the HYSPLIT modeling system, including the simulation of atmospheric tracer release experiments, radionuclides, smoke originated from wild fires, volcanic ash, mercury, and wind-blown dust.

The effect of urban development on local thermal climate is widely documented in scientific literature. Observations of urban–rural air temperature differences—or urban heat islands (UHIs)—have been reported for cities and regions worldwide, often with local field sites that are extremely diverse in their physical and climatological characteristics. These sites are usually described only as “urban” or “rural,” leaving much uncertainty about the actual exposure and land cover of the sites. To address the inadequacies of urban–rural description, the “local climate zone” (LCZ) classification system has been developed. The LCZ system comprises 17 zone types at the local scale (102 to 104 m). Each type is unique in its combination of surface structure, cover, and human activity. Classification of sites into appropriate LCZs requires basic metadata and surface characterization. The zone definitions provide a standard framework for reporting and comparing field sites and their temperature observations. The LCZ system is designed primarily for urban heat island researchers, but it has derivative uses for city planners, landscape ecologists, and global climate change investigators.

From a societal, weather, and climate perspective, precipitation intensity, duration, frequency, and phase are as much of concern as total amounts, as these factors determine the disposition of precipitation once it hits the ground and how much runs off. At the extremes of precipitation incidence are the events that give rise to floods and droughts, whose changes in occurrence and severity have an enormous impact on the environment and society. Hence, advancing understanding and the ability to model and predict the character of precipitation is vital but requires new approaches to examining data and models. Various mechanisms, storms and so forth, exist to bring about precipitation. Because the rate of precipitation, conditional on when it falls, greatly exceeds the rate of replenishment of moisture by surface evaporation, most precipitation comes from moisture already in the atmosphere at the time the storm begins, and transport of moisture by the storm-scale circulation into the storm is vital. Hence, the intensity of precipitation depends on available moisture, especially for heavy events. As climate warms, the amount of moisture in the atmosphere, which is governed by the Clausius–Clapeyron equation, is expected to rise much faster than the total precipitation amount, which is governed by the surface heat budget through evaporation. This implies that the main changes to be experienced are in the character of precipitation: increases in intensity must be offset by decreases in duration or frequency of events. The timing, duration, and intensity of precipitation can be systematically explored via the diurnal cycle, whose correct simulation in models remains an unsolved challenge of vital importance in global climate change. Typical problems include the premature initiation of convection, and precipitation events that are too light and too frequent. These challenges in observations, modeling, and understanding precipitation changes are being taken up in the NCAR “Water Cycle Across Scales” initiative, which will exploit the diurnal cycle as a test bed for a hierarchy of models to promote improvements in models.

While internal climate variability is known to affect climate projections, its influence is often underappreciated and confused with model error. Why? In general, modeling centers contribute a small number of realizations to international climate model assessments [e.g., phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5)]. As a result, model error and internal climate variability are difficult, and at times impossible, to disentangle. In response, the Community Earth System Model (CESM) community designed the CESM Large Ensemble (CESM-LE) with the explicit goal of enabling assessment of climate change in the presence of internal climate variability. All CESM-LE simulations use a single CMIP5 model (CESM with the Community Atmosphere Model, version 5). The core simulations replay the twenty to twenty-first century (1920–2100) 30 times under historical and representative concentration pathway 8.5 external forcing with small initial condition differences. Two companion 1000+-yr-long preindustrial control simulations (fully coupled, prognostic atmosphere and land only) allow assessment of internal climate variability in the absence of climate change. Comprehensive outputs, including many daily fields, are available as single-variable time series on the Earth System Grid for anyone to use. Early results demonstrate the substantial influence of internal climate variability on twentieth- to twenty-first-century climate trajectories. Global warming hiatus decades occur, similar to those recently observed. Internal climate variability alone can produce projection spread comparable to that in CMIP5. Scientists and stakeholders can use CESM-LE outputs to help interpret the observational record, to understand projection spread and to plan for a range of possible futures influenced by both internal climate variability and forced climate change.