Os modelos climáticos que incorporam, em vários graus de complexidade, as descrições matemáticas da atmosfera, dos oceanos, da terra, da biosfera e da criosfera são ferramentas importantes para entender o clima e a mudança do clima passada, presente e futura. Esses modelos, que usam principalmente leis físicas e relações empíricas com base física, são muito mais completos do que, por exemplo, os modelos baseados em relações estatísticas usadas em disciplinas menos quantitativas. Projeções detalhadas da futura mudança do clima baseiam-se muito nos modelos acoplados atmosfera-oceano (ver Quadro 2). Qual é o grau de confiança que devemos ter nas previsões desses modelos?

Como discutido na Seção B, as mudanças nos gases traços radiativamente ativos na atmosfera produzem forçamento radiativo. Para as concentrações de CO2 equivalente iguais ao dobro da concentração pré-industrial, o forçamento radiativo positivo é de cerca de +4 Wm-2. Para recuperar o balanço radiativo outras mudanças no clima devem ocorrer. A reação inicial é que a atmosfera inferior (a troposfera) e a superfície da Terra aqueçam-se; na ausência de outras mudanças, o aquecimento seria de cerca de 1,2°C. Contudo, o aquecimento não muda apenas as temperaturas, mas também altera outros aspectos do sistema climático e vários feedbacks são invocados (ver Seção D.2). O papel principal dos modelos climáticos é quantificar esses feedbacks e determinar a resposta geral do clima. Além disso, o aquecimento e outros efeitos climáticos não serão uniformes na superfície da Terra; um papel importante dos modelos é simular possíveis respostas climáticas de escala continental e regional.

Os modelos climáticos incluem, com base no nosso conhecimento atual, os mais importantes processos físicos de grande escala que regem o sistema climático. Os modelos climáticos melhoraram desde o relatório do IPCC (1990), assim como nosso entendimento da complexidade do sistema climático e o reconhecimento da necessidade de incluir processos adicionais.

A fim de avaliar o valor de um modelo para as projeções do clima no futuro, seu clima simulado pode ser comparado às características conhecidas do clima atual observado e, em um grau menos satisfatório, às informações mais limitadas de estados climáticos bastante diferentes no passado. É importante perceber que embora um modelo possa ter deficiências, ainda pode ser útil na quantificação da resposta do clima ao forçamento climático antrópico (ver também Quadro 2). Vários fatores nos dão alguma confiança na habilidade dos modelos climáticos de simular aspectos importantes da mudança do clima antrópica em resposta a mudanças previstas na composição atmosférica:

(i) Os melhores modelos climáticos são capazes de simular bem as características importantes de grande escala dos componentes do sistema climático, incluindo as variações sazonais, geográficas e verticais, que são uma conseqüência da variação do forçamento e da dinâmica no espaço e no tempo. Por exemplo, a Figura 13 apresenta a distribuição geográfica da temperatura da superfície de dezembro a fevereiro e da precipitação de junho a agosto, simulada por modelos acoplados atmosfera-oceano abrangentes, do tipo usado para a previsão do clima, em comparação com as observações. As características de grande escala são razoavelmente bem captadas pelos modelos, embora maiores discrepâncias possam ser vistas em escalas regionais. Outras estações também são bem simuladas, indicando a habilidade dos modelos de reproduzirem o ciclo sazonal em resposta a mudanças no forçamento solar. O avanço feito em relação ao relatório do IPCC (1990) é de que esse nível de precisão é obtido em modelos com um oceano inteiramente interativo, em comparação à maioria dos modelos, que empregou esquemas mais simples usados em 1990.

(ii) Muitas mudanças climáticas são projetadas de forma coincidente por diferentes modelos em resposta aos gases de efeito estufa e aerossóis e podem ser explicadas em termos de processos físicos que operam no mundo real, como por exemplo, o aquecimento máximo nas altas latitudes nortes no inverno (ver Seção F).

(iii) Os modelos reproduzem com fidelidade razoável outras variações menos óbvias no clima devidas às mudanças no forçamento:

• Alguns modelos atmosféricos, quando forçados com variações observadas na temperatura da superfície do mar, podem reproduzir várias variações climáticas regionais, com habilidade de razoável a boa, especialmente em partes dos trópicos e subtrópicos. Por exemplo, são captados aspectos das flutuações atmosféricas interanuais de grande escala no Pacífico tropical relacionadas com o fenômeno El Niño/Oscilação Sul , assim como das variações interanuais das chuvas no nordeste brasileiro e, em um certo grau, das variações decenais das chuvas no Sahel.

• Como discutido pelo IPCC (1994), os aerossóis estratosféricos resultantes da erupção do Monte Pinatubo em junho de 1991 deram origem a um forçamento radiativo médio global negativo de vida curta na troposfera, cujo pico foi de -3 a -4 Wm-2 alguns meses após a erupção e havia praticamente desaparecido até por volta do final de 1994. Um modelo climático foi utilizado para prever as variações da temperatura global entre a época da erupção e o final de 1994 e os resultados ficaram bem próximos das observações (Figura 14). Tal proximidade aumenta a confiança na habilidade dos modelos climáticas de responder de forma realista a forçamentos radiativos transientes de escala planetária e grande magnitude.

• Os relatórios anteriores do IPCC demonstraram a habilidade dos modelos de simular algumas características conhecidas do paleoclima. Apenas avanços modestos foram feitos nessa área, principalmente por causa da escassez de dados confiáveis para comparação.

• As simulações dos modelos disponíveis atualmente da tendência da temperatura global média da superfície, na última metade do século, mostram maior concordância com as observações quando as simulações incluem o efeito provável dos aerossóis, além dos gases de efeito estufa (Figura 15).

(iv) Os resultados dos modelos exibem variabilidade "natural", em uma ampla faixa de escalas de tempo e espaço, amplamente comparável à que foi observada. Essa variabilidade "natural" deriva dos processos internos que atuam no sistema climático e não de mudanças no forçamento externo. A variabilidade é um aspecto muito importante do comportamento do sistema climático e tem implicações importantes para a detecção da mudança do clima (ver Seção E). As variações de um ano a outro da temperatura do ar na superfície para o clima atual são razoavelmente realistas nas simulações dos modelos em escalas de tempo maiores. Por exemplo, a variabilidade menor nos oceanos, em comparação com os interiores continentais, é capturada. A variabilidade interanual muito baixa das temperaturas do leste tropical e do Oceano Pacífico central associada ao fenômeno El Niño/Oscilação Sul (ENOS) é uma deficiência. Atualmente, nenhum modelo acoplado atmosfera-oceano simula todos os aspectos dos eventos do ENOS, mas algumas das variações interanuais observadas na atmosfera relacionadas com esses eventos são incorporadas.  

(a) Temperatura observada do ar na superfície (°C) dezembro-fevereiro