Det finns ett känt talesätt som säger att "klimatet är vad du förväntar dig, vädret är vad du får." Som en infödd Texas som flyttade till New York, Jag hade en idé om vad jag skulle förvänta mig, men var inte helt förberedd på vad jag skulle få. Eftersom New Yorks klimat är drastiskt annorlunda än vad jag är van vid, varje morgon innan jag lämnar min lägenhet kollar jag religiöst väderprognosen. Väldigt snabbt vet jag om det kommer att regna, om det är en storm som breder sig vid kusten, eller om jag behöver extra lager.

Medan vädret kan förändras dramatiskt från dag till dag, klimatet betyder de genomsnittliga förhållandena under ungefär 30 år – hur varmt är regionen, i genomsnitt, och hur mycket nederbörd får det på ett år? Texas klimat, till exempel, tenderar att vara varmare under större delen av året, medan New York i genomsnitt är svalare med tydligt definierade årstider.

Väder och klimat används ibland omväxlande, men vetenskapsmän, meteorologer och forskare studerar och modellerar dem på olika sätt.

Vad är en vädermodell?

"Dagens väderprognos är delvis molnigt med risk för skurar under sen eftermiddag..." Det här är en bekant vädersammanfattning som du säkert har hört tidigare från en meteorolog. För att göra dessa förutsägelser, meteorologer använder väderdata och prognosmodeller för att bestämma nuvarande och framtida atmosfäriska förhållanden.

Eftersom vädret sker timme för timme, prognosmodeller använder nuvarande atmosfäriska och oceaniska förhållanden för att förutsäga framtida väder. Prognosen tar hänsyn till luftfuktighet, temperatur, lufttryck, vindhastighet och riktning, samt molntäcke. Geografisk plats, närhet till vatten, stadsstrukturer, breddgrad och höjd kan också påverka vädret du upplever.

Vädermodeller arbetar med tillräckligt höga upplösningar för att generera olika förutsägelser för närliggande städer, i vissa fall, men bara under korta tidsskalor på högst cirka två veckor.

Vad är en klimatmodell?

Väsentligen, klimatmodeller är en förlängning av väderprognoser. Men medan vädermodeller gör förutsägelser över specifika områden och korta tidsperioder, klimatmodellerna är bredare och analyserar långa tidsperioder. De förutspår hur de genomsnittliga förhållandena kommer att förändras i en region under de kommande decennierna.

Klimatmodeller inkluderar mer atmosfäriska, havs- och landprocesser än vad vädermodeller gör – som havscirkulation och smältande glaciärer. Dessa modeller genereras vanligtvis från matematiska ekvationer som använder tusentals datapunkter för att simulera överföringen av energi och vatten som sker i klimatsystem.

Forskare använder klimatmodeller för att förstå komplexa jordsystem. Dessa modeller låter dem testa hypoteser och dra slutsatser om tidigare och framtida klimatsystem. Detta kan hjälpa dem att avgöra om onormala väderhändelser eller stormar är ett resultat av förändringar i klimatet eller bara en del av den rutinmässiga klimatvariationen. Till exempel, när man förutsäger tropiska cykloner under orkansäsongen, Forskare kan använda klimatmodeller för att förutsäga antalet tropiska stormar som kan bildas utanför kusten och i vilka regioner de sannolikt kommer att landa.

När man skapar klimatmodeller, forskare använder en av tre vanliga typer av enkla klimatmodeller:energibalansmodeller, mellanliggande komplexitetsmodeller, och allmänna cirkulationsmodeller. Dessa modeller använder siffror för att förenkla komplexiteten som finns när man tar hänsyn till alla faktorer som påverkar klimatet, som atmosfärisk blandning och havsström.

Energibalansmodeller hjälper till att förutse klimatförändringar som ett resultat av jordens energibudget. Denna modell tar hänsyn till yttemperaturer från solenergi, albedo eller reflektivitet, och den naturliga kylningen från jorden som avger värme tillbaka ut i rymden. För att förutsäga klimatet, forskare använder en ekvation som representerar mängden energi som kommer in kontra att gå ut, för att förstå förändringarna i värmelagring – till exempel, eftersom mer värmeabsorberande CO2 fyller upp atmosfären. Forskare tar sedan denna ekvation och kopplar den till boxmodeller som representerar en kvadratisk mark inom ett tredimensionellt rutnät, för att uttrycka klimatet i en region eller till och med över en kontinent.

Modeller med komplexitet liknar modeller för energibalans men de inkluderar och kombinerar flera av jordens geografiska strukturer - land, hav, och isfunktioner, till exempel. Dessa geografiska egenskaper tillåter mellanliggande komplexitetsmodeller för att simulera storskaliga klimatscenarier som glaciala fluktuationer, förändringar i havsströmmen, och atmosfärisk sammansättning förändras över långa tidsskalor. Mellanliggande komplexitetsmodeller beskriver klimatet med mindre rumsliga och tidsspecifika detaljer, så de används bäst för storskaliga och lågfrekventa variationer i jordens klimatsystem.

Generella cirkulationsmodeller är de mest komplexa och exakta modellerna för att förstå klimatsystem och förutsäga klimatförändringar. Dessa modeller inkluderar information om atmosfärens kemi, landtyp, kolets kretslopp, havscirkulation och glacial sammansättning av det isolerade området. Denna typ av modell använder också ett tredimensionellt rutnät, med varje låda representerande cirka 100 kvadratkilometer mark, luft, eller hav, vilket är bättre upplösning än de typiska 200 till 600 kilometerna per låda. Denna modell är mer sofistikerad än modellerna för energibalans och mellanliggande komplexitet, men det kräver en större mängd datortid - varje simulering kan ta flera veckor att köra.

Vad kan klimatmodeller berätta om framtiden och det förflutna?

I många decennier, forskare har samlat in data om klimatet med hjälp av kärnor från is, träd, och koraller, samt koldatering. Från denna forskning har de upptäckt detaljer om tidigare mänsklig aktivitet, temperaturförändringar i våra hav, perioder med extrem torka, och mycket mer.

När fler datapunkter samlas in, de ökar träffsäkerheten hos befintliga klimatmodeller. Detta förbättrar klimatprognoserna, eftersom tidigare klimatdata hjälper till att fastställa en baslinje för typiska klimatsystem. Därifrån, forskare fastställer klimatvariabler som de vill behålla oförändrade, som molntäcke, och variabler de vill testa, som ökad koldioxid, att utvärdera hypoteser om framtida förändringar. Dessa skulle kunna uppskatta allt från havsnivåhöjning till ökade temperaturer och risk för torka och skogsbränder.

Hur exakta är klimatmodeller?

Eftersom världen inte har råd att vänta årtionden för att mäta exaktheten i klimatmodellernas förutsägelser, forskare testar en modells noggrannhet med hjälp av tidigare händelser. Om modellen exakt förutsäger tidigare händelser som vi vet har hänt, då borde den vara ganska bra på att förutsäga framtiden, för. Och ju mer vi lär oss om tidigare och nuvarande förhållanden, desto mer exakta blir dessa modeller.

Klimatmodeller är komplexa på grund av alla de element som är i flux inom jordens system. Om vår atmosfär var som månens, klimatmodellering skulle vara ganska lätt eftersom månen knappt har en atmosfär. På jorden, klimatforskare måste ta hänsyn till temperaturfluktuationer, vindmönster, havsströmmar, markytans egenskaper och mycket mer. På grund av detta, modellerna beaktar alltid en viss grad av osäkerhet – men modeller som mäter mindre ytor med högre upplösning ger mer exakta modeller. Trots en liten osäkerhet, forskare tycker att klimatmodeller från 2000-talet är ganska exakta eftersom de är baserade på välgrundade fysikaliska principer för processer i jordsystemet. Denna grund stärker forskarsamhällets förtroende för att mänskliga utsläpp förändrar klimatet, som kommer att påverka hela planeten.

Varför är klimatmodeller viktiga?

Förstå det förflutna, nuvarande och framtida klimat hjälper oss att förstå hur jordens system fungerar naturligt. Denna informationen, i kombination med klimatmodeller, låter oss avgöra hur både naturliga och mänskliga influenser har och kommer att påverka förändringar i vårt klimat. Dessa förutsägelser och resultat kan också föreslå hur man kan mildra de värsta effekterna av klimatförändringar, och de hjälper beslutsfattare att prioritera miljöfrågor baserat på vetenskapliga bevis.

Flera modeller har visat att klimatet förändras. Ökade utsläpp av växthusgaser från mänskliga aktiviteter resulterar i positiva återkopplingar i våra klimatsystem. Dessa positiva återkopplingar kan resultera i mindre positiva förändringar i jordsystemen, som smältande isis, stigande havstemperaturer, ökar risken för svåra översvämningar och torka, och stigande yttemperaturer.

Det är avgörande att vi fortsätter att samla in data och förbättra modeller, öka deras noggrannhet för att förfina vår kunskap om klimat och väder. Det är också absolut nödvändigt att vi inser vikten av datadrivna resultat och vetenskapligt underbyggda fakta eftersom de påverkar hur samhällen och beslutsfattare planerar för framtiden. Klimat- och vädermodeller har båda förmågan att utveckla vårt sätt att planera våra städer, påverka affärsmöjligheter, och till och med hur vi planerar vår dag. Dessa modeller är vår bästa chans att hitta sätt att mildra de farliga effekterna av klimatförändringar.

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.