Klimaatprocessen en natuurkundige wetten
Een klimaatmodel werkt in de basis precies hetzelfde als de modellen die men gebruikt om de weersverwachting te maken. In deze modellen worden de processen die zich afspelen in de atmosfeer, de oceaan en op het land nagebootst. Denk daarbij bijvoorbeeld aan de draaiing van de aarde (en daarmee het dagelijks opkomen en ondergaan van de zon), de vorming van wolken en eventueel regen daaruit, en grootschalige weersystemen zoals hoge en lage drukgebieden en de wind die daaromheen waait.
Voor de meeste van deze processen bestaan natuurkundige wetten, die precies beschrijven hoe verschillende dingen samenhangen en elkaar beïnvloeden. De belangrijkste wetten voor klimaatmodellen zijn de Navier-Stokes vergelijkingen, die beschrijven hoe vloeistoffen (in dit geval de lucht in de atmosfeer en het water in de oceaan) stromen.
Er zijn ook klimaatprocessen die zich afspelen op tijd/ruimtelijke schalen die kleiner of juist groter zijn dan de berekeningen toelaten of processen die (nog) geen onderdeel uitmaken van klimaatmodellen. Bijvoorbeeld wolkenvorming, hoe (zonne)straling door de atmosfeer gaat, atmosferische chemie, het groeien en smelten van ijskappen, en bodemvocht en grondwater. Hiervoor zijn er parameterisaties in de modellen, dit zijn versimpelde natuurkundige weergaven van de werkelijkheid.
Computercode en berekeningen
Een weer- of klimaatmodel is dan een computercode die alle relevante natuurkundige vergelijkingen aan elkaar knoopt. Hiervoor wordt de wereld in heel veel blokjes, gridpunten, opgedeeld. Ieder gridpunt krijgt een waarde voor bijvoorbeeld de temperatuur, de luchtdruk en het vochtgehalte. Wanneer we het klimaatmodel ‘draaien’, dat wil zeggen berekeningen gaan uitvoeren, wordt er tijdstap voor tijdstap (in mondiale klimaatmodellen meestal een uur) berekend hoe de waarden van temperatuur, luchtdruk en vocht in ieder gridpunt veranderen. De computercode bekijkt aangrenzende gridpunten en past daarop de vergelijkingen toe.
Output van de berekeningen
Bij het doen van die berekeningen, tijdstap voor tijdstap, ontstaan dan de tijdreeksen. Voor ieder gridpunt, voor de hele gesimuleerde 3D atmosfeer dus, zijn er tijdreeksen van alle variabelen die in de berekeningen meegenomen zijn. Dat zijn er heel veel, buiten temperatuur en neerslag (regen en sneeuw los), ook windsnelheid en -richting op verschillende niveaus in de atmosfeer, luchtdruk, luchtvochtigheid, bewolking, verdamping, warmtefluxen, stralingsvariabelen en oceaan en land variabelen: bodemvocht, watertemperaturen, stromingen in de oceaan, zoutgehalte van de oceaan, etc.
De tijdreeksen worden gebruikt om onderzoek te doen om het weer van nu beter te begrijpen, veranderingen van het klimaat in het verleden, en om scenario’s te maken voor toekomstig weer onder invloed van klimaatverandering.
