1. Introducción y definiciones

El cambio climático se define como una variación significativa y persistente del clima medio de la Tierra, que abarca cambios en temperatura, precipitación, vientos, nivel del mar y frecuencia de eventos extremos a lo largo de décadas o siglos. Esta definición incluye tanto la variabilidad natural como los cambios debidos a actividades humanas, aunque el foco actual se sitúa en el componente antropogénico. El calentamiento global describe específicamente el aumento de la temperatura media de la superficie terrestre y oceánica, mientras que el cambio climático engloba también los efectos derivados de ese calentamiento, como el retroceso de glaciares, el aumento del nivel del mar, las olas de calor más frecuentes y los cambios en patrones de lluvia y sequía (https://www.climate.gov/news-features/climate-qa/cual-es-la-diferencia-entre-el-calentamiento-global-y-el-cambio-climatico). La distinción es útil porque el impacto sobre sociedades y ecosistemas se materializa principalmente a través de esos efectos secundarios y no solo mediante el incremento de la temperatura.

Los informes de evaluación del IPCC proporcionan síntesis exhaustivas de la base física, los impactos, la adaptación y la mitigación del cambio climático, apoyándose en miles de estudios revisados por pares y en extensos procesos de revisión internacional (https://www.ipcc.ch/languages-2/spanish/ipcc-en-espanol-publications/). Estos informes establecen el consenso científico en aspectos clave: el sistema climático se ha calentado de forma inequívoca, la influencia humana es la causa dominante del calentamiento observado desde mediados del siglo XX y, sin reducciones profundas y sostenidas de las emisiones, es probable que se superen umbrales de calentamiento asociados a riesgos elevados.

2. Sistema climático, forzamientos y procesos

El sistema climático integra cinco componentes mayores: atmósfera, océanos, criosfera, biosfera y superficie continental. La atmósfera transporta calor, humedad y aerosoles; los océanos almacenan y redistribuyen una gran fracción del calor y del carbono; la criosfera (hielo marino, glaciares, capas de hielo, nieve) modula el albedo y el nivel del mar; la biosfera interviene en los ciclos del carbono, nitrógeno y agua; y la superficie terrestre, con su topografía y tipos de cubierta, condiciona intercambios de energía y humedad. El clima resulta de las interacciones acopladas entre estos subsistemas.

Los forzamientos climáticos son perturbaciones del balance de energía del sistema. Entre los naturales figuran la variabilidad de la irradiancia solar, las erupciones volcánicas que inyectan aerosoles estratosféricos reflectantes, y las variaciones orbitales de largo plazo que modifican la distribución estacional y latitudinal de la radiación solar. En escalas de décadas, estos forzamientos naturales no explican el patrón de calentamiento global observado desde mediados del siglo XX, que muestra un aumento pronunciado de la temperatura en superficie y en la troposfera, acompañado de enfriamiento en la estratosfera, patrones coherentes con el efecto de gases de efecto invernadero.

Los forzamientos antropogénicos incluyen el aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero (CO2, CH4, N2O, gases industriales), las emisiones de aerosoles y sus precursores, y las modificaciones del albedo por cambios de uso del suelo. El CO2 procede sobre todo de la combustión de carbón, petróleo y gas y de la deforestación; el metano, de la agricultura, los residuos y la extracción de combustibles fósiles; y el óxido nitroso, de fertilizantes y procesos industriales. Los aerosoles sulfatos tienden a enfriar al reflejar radiación solar, mientras que el carbono negro puede calentar al absorber radiación y oscurecer superficies nevadas. La suma de todos estos forzamientos genera un desequilibrio positivo en el balance energético de la Tierra, acumulando calor en el sistema climático.

Las retroalimentaciones internas amplifican o atenúan la respuesta a los forzamientos. El vapor de agua aumenta con la temperatura y refuerza el efecto invernadero; la pérdida de hielo y nieve reduce el albedo y aumenta la absorción de radiación; cambios en la nubosidad pueden tanto enfriar como calentar dependiendo del tipo de nube, altura y región; y los ciclos de carbono pueden amplificar el calentamiento si ecosistemas y océanos absorben menos carbono a medida que se calientan. Estas retroalimentaciones explican por qué un incremento relativamente moderado de CO2 se traduce en un calentamiento global mucho mayor del que se deduciría solo del efecto directo del gas.

3. Modelos climáticos: función, componentes y usos

Los modelos climáticos representan el sistema climático mediante ecuaciones que describen conservación de masa, cantidad de movimiento, energía y composición química. Se discretizan el planeta en una rejilla tridimensional y se integran las ecuaciones en el tiempo, típicamente con pasos de minutos a decenas de minutos, para simular la evolución de la atmósfera, el océano y otras componentes. Los modelos del Sistema Tierra añaden módulos de ciclo del carbono, vegetación, biogeoquímica oceánica, hielo marino y capas de hielo, permitiendo simular procesos que conectan física y biogeoquímica.

Estas herramientas se usan para tres grandes fines. Primero, comprensión: permiten estudiar mecanismos de circulación, formación de nubes, interacción océano-atmósfera, respuesta a perturbaciones volcánicas o solares, y sensibilidad climática a cambios de CO2 (https://www.climate.gov/maps-data/climate-data-primer/predicting-climate/climate-models). Segundo, atribución: comparando simulaciones con y sin forzamientos antropogénicos con las observaciones, se estima la contribución humana al calentamiento observado y a otros cambios (por ejemplo, en extremos de temperatura). Tercero, proyección: se exploran futuros posibles bajo distintos escenarios de emisiones, combinando modelos físicos con trayectorias socioeconómicas.

4. Tipos de modelos climáticos y su clasificación

Los modelos simples de balance de energía representan la Tierra como un sistema de pocos compartimentos y formulan el balance radiativo de manera agregada. Aunque no captan la estructura espacial del clima, son útiles para explorar relaciones generales, como el vínculo entre concentración de CO2 y temperatura media global, y para estudios rápidos de sensibilidad.

Los modelos de circulación general atmosférica (AGCM) simulan solo la atmósfera, forzada por condiciones de contorno prescriptas (por ejemplo, temperatura de la superficie del mar). Los modelos acoplados atmósfera-océano (AOGCM) incluyen dinámica explícita tanto de atmósfera como de océano, lo que permite representar la circulación termoalina y patrones como El Niño-Oscilación del Sur. Los modelos del Sistema Tierra incorporan, además, biogeoquímica, hielo marino interactivo y, a menudo, modelos de vegetación dinámica, lo que permite estudiar retroalimentaciones como el deshielo del permafrost o la respuesta de ecosistemas al cambio climático.

Los modelos climáticos regionales (RCM) se utilizan para aumentar la resolución sobre una región concreta, anidándose dentro de un modelo global que proporciona condiciones de contorno en las fronteras laterales y en la superficie del mar. Estos modelos son especialmente relevantes para regiones de topografía compleja o con fuertes gradientes costeros, donde los modelos globales de baja resolución no captan bien la variación espacial de precipitaciones, vientos y extremos. AEMET, por ejemplo, emplea modelos regionales como RCA para generar proyecciones sobre la península Ibérica con resoluciones horizontales del orden de decenas de kilómetros, mejorando la representación de la precipitación orográfica y otros procesos locales (https://www.aemet.es/es/idi/clima/escenarios_CC).

Además, existen modelos de impacto que no simulan el clima en sí, sino que usan proyecciones climáticas como entrada. Entre ellos destacan modelos hidrológicos (caudales, recarga de acuíferos, inundaciones), agrícolas (rendimientos, estrés hídrico, plagas), costeros (erosión, inundación por subida del nivel del mar), de salud (olas de calor, enfermedades sensibles al clima) y de ecosistemas (cambios de distribución de especies, riesgo de incendios).

5. Evaluación y validación de modelos climáticos

La evaluación de modelos climáticos es un proceso sistemático que compara las simulaciones con observaciones y reanálisis para cuantificar su capacidad de reproducir el clima observado. Se analizan aspectos como promedios climatológicos (por ejemplo, temperatura y precipitación medias estacionales), variabilidad interanual (eventos como El Niño), distribución de extremos (olas de calor, lluvias intensas), patrones espaciales (gradientes latitudinales y regionales) y modos de variabilidad (por ejemplo, Oscilación del Atlántico Norte). Servicios meteorológicos y centros de investigación desarrollan proyectos específicos para evaluar los modelos empleados en sus regiones de interés (https://www.aemet.es/es/idi/clima/evaluacion_modelos_climaticos).

Las métricas cuantitativas incluyen el sesgo medio, el error cuadrático medio, el coeficiente de correlación espacial y temporal, índices de extremos y medidas de habilidad para reproducir ciclos anuales y tendencias. En Europa, proyectos de intercomparación como ENSEMBLES o las fases CMIP (Coupled Model Intercomparison Project) han permitido comparar decenas de modelos bajo protocolos comunes, identificando fortalezas y carencias compartidas. Los resultados muestran que, aunque los modelos difieren en detalles, reproducen de forma consistente el calentamiento global del siglo XX, el enfriamiento tras grandes erupciones volcánicas y patrones amplios de precipitación.

La evaluación también se centra en procesos físicos clave, como el balance de agua y energía en superficie, la formación de nubes, el transporte de humedad y la representación de la capa límite planetaria. Estudios regionales analizan la capacidad de los modelos para representar modos de variabilidad que condicionan el clima local, como la NAO en el Atlántico Norte, y tipos de circulación atmosférica asociados a extremos. Esta evaluación es crucial para seleccionar modelos adecuados para aplicaciones regionales y para ponderar miembros dentro de ensembles.

6. Escenarios de cambio climático y generación de proyecciones

Las proyecciones climáticas requieren supuestos sobre la evolución futura de emisiones de gases de efecto invernadero, aerosoles y cambios de uso del suelo. Estos supuestos se plasman en escenarios o trayectorias que combinan historias socioeconómicas y políticas con caminos de emisiones. En los informes del IPCC se han utilizado secuencias de escenarios (IS92, SRES, RCP, SSP) que reflejan diferentes combinaciones de crecimiento económico, tecnología, población y políticas climáticas (https://www.ipcc.ch/languages-2/spanish/ipcc-en-espanol-publications/).

Dado un escenario de emisiones, los modelos del Sistema Tierra simulan la evolución del clima durante el siglo XXI y, en algunos casos, más allá. El resultado son proyecciones de temperatura, precipitación, circulación atmosférica y otras variables para distintos horizontes temporales (por ejemplo, 2030, 2050, 2100). Estas proyecciones no son predicciones deterministas, sino experimentos condicionales: describen cómo se espera que responda el clima si se materializa un determinado camino de emisiones.

Para mejorar la robustez de las proyecciones se utilizan ensembles, conjuntos de simulaciones que exploran diversas fuentes de incertidumbre. Los ensembles multimodelo combinan modelos de distintos centros para capturar diferencias estructurales; los ensembles de condiciones iniciales exploran la variabilidad interna generada por pequeñas perturbaciones del estado inicial; y los ensembles de escenarios consideran múltiples trayectorias socioeconómicas. La distribución de resultados permite estimar rangos plausibles de cambio y probabilidades relativas.

7. Regionalización (downscaling) y escenarios regionales

Las salidas de los modelos globales tienen resoluciones del orden de 50–200 km, insuficientes para muchos análisis de impacto que requieren escalas de cuencas hidrográficas, regiones administrativas o áreas urbanas. La regionalización o downscaling adapta la información global a escalas más finas mediante dos enfoques principales: dinámico y estadístico (https://www.aemet.es/es/idi/clima/escenarios_CC).

El downscaling dinámico utiliza modelos climáticos regionales (RCM) anidados en un modelo global. El RCM resuelve explícitamente la física atmosférica a mayor resolución sobre una región limitada, incorporando topografía detallada, costa y usos del suelo regionales. Esto permite representar mejor fenómenos como precipitaciones orográficas, brisas costeras y sistemas frontales regionales. El principal coste es computacional: estas simulaciones requieren gran capacidad de cálculo y almacenamiento.

El downscaling estadístico establece relaciones empíricas entre campos de gran escala (por ejemplo, presión, vientos, temperatura en altura) y variables locales (precipitación o temperatura en estaciones). Métodos como análogos sinópticos, regresión múltiple, redes neuronales u otros algoritmos se calibran con datos históricos y se aplican después a salidas de modelos globales. Su ventaja es la eficiencia computacional y la posibilidad de trabajar directamente con series de estaciones; su limitación es la dependencia de la estabilidad de las relaciones en un clima cambiante.

Instituciones como AEMET desarrollan y aplican ambos enfoques para generar escenarios regionalizados para España, basándose en ensembles de modelos globales y distintos escenarios de emisiones (https://www.aemet.es/es/idi/clima/escenarios_CC). Estos productos incluyen proyecciones de cambios en temperatura media, extremos térmicos, régimen de precipitaciones y frecuencia de eventos extremos, junto con estimaciones de incertidumbre asociadas a modelos, métodos y escenarios.

8. Fuentes de incertidumbre y limitaciones de los modelos

Las proyecciones climáticas están sujetas a varias fuentes de incertidumbre. La incertidumbre de escenario refleja que no se conoce cómo evolucionarán las emisiones y los usos del suelo; suele ser pequeña en las próximas décadas pero dominante hacia finales de siglo. La incertidumbre de modelo se debe a diferencias en formulación física, parametrizaciones y resolución entre modelos; afecta tanto a la magnitud como a los patrones espaciales del cambio. La variabilidad interna es la evolución caótica del sistema climático incluso bajo forzamientos idénticos, y puede ser importante en escalas regionales y decenales.

Las limitaciones técnicas incluyen la resolución finita, que obliga a parametrizar procesos subresueltos como convección profunda, microfísica de nubes y turbulencia; errores sistemáticos regionales (por ejemplo, sesgos en precipitación sobre determinadas cordilleras u océanos); y dificultades para simular eventos extremos raros y fenómenos de pequeña escala. Estas limitaciones implican que los modelos son más fiables para proyecciones de temperatura media global y continental que para detalles locales de precipitación o extremos.

El uso responsable de proyecciones exige trabajar con rangos, evitar la interpretación literal punto a punto y considerar la coherencia entre múltiples modelos y líneas de evidencia (https://resilience.climate.gov/pages/climate-model-content-gallery). Para decisiones sensibles, es recomendable combinar información de modelos con análisis de riesgos, conocimiento sectorial y enfoques de robustez que no dependan de un único escenario.

9. Aplicaciones, riesgos y decisiones basadas en modelos climáticos

Los resultados de modelos climáticos y escenarios regionalizados se utilizan para evaluar impactos y apoyar decisiones en numerosos sectores. En recursos hídricos, sirven para proyectar cambios en caudales, recarga de acuíferos, frecuencia de sequías e inundaciones, orientando la planificación de presas, redes de abastecimiento y gestión integrada de cuencas. En agricultura, permiten explorar cambios en estaciones de crecimiento, riesgo de estrés térmico e hídrico, idoneidad de cultivos y plagas, facilitando estrategias de adaptación como cambios de variedades, calendarios de siembra o prácticas de conservación de suelos.

En zonas costeras, las proyecciones de subida del nivel del mar y de cambios en oleaje y tormentas apoyan la planificación de defensas costeras, ordenación del territorio y protección de humedales. En salud pública, ayudan a anticipar olas de calor, cambios en calidad del aire y condiciones para vectores de enfermedades. En planificación urbana, influyen en estándares de construcción, infraestructuras de drenaje, diseño de espacios verdes y estrategias de reducción de islas de calor. Servicios como el Servicio de Cambio Climático de Copernicus proporcionan productos de datos y herramientas orientadas a estos usos (https://www.copernicus.eu/en/copernicus-services/climate-change).

Los riesgos climáticos combinan peligros físicos (olas de calor, inundaciones, sequías, tormentas), exposición (población, infraestructuras, ecosistemas) y vulnerabilidad (capacidad de preparación, respuesta y recuperación). Los modelos climáticos aportan información sobre la evolución de los peligros, que debe integrarse con análisis socioeconómicos para priorizar medidas de adaptación: diseño de infraestructuras resilientes, sistemas de alerta temprana, protección de ecosistemas, seguros de riesgo climático y planes de emergencia.

10. Cronología esencial y desarrollo de modelos climáticos

A finales del siglo XIX, trabajos de Arrhenius y otros científicos identificaron el papel del CO2 en el efecto invernadero. A mediados del siglo XX, el desarrollo de ordenadores permitió los primeros modelos numéricos de circulación general atmosférica. En 1979, el Informe Charney cuantificó por primera vez la sensibilidad climática al CO2 y alertó de un posible calentamiento global significativo bajo emisiones continuadas. Desde 1988, el IPCC elabora informes de evaluación periódicos que integran avances en observación, teoría y modelización (https://www.ipcc.ch/languages-2/spanish/ipcc-en-espanol-publications/).

Los proyectos de intercomparación CMIP han constituido hitos en la evolución de modelos climáticos, pasando de modelos relativamente simples con pocos componentes a modelos del Sistema Tierra de alta resolución con módulos biogeoquímicos avanzados. Paralelamente, se han desarrollado modelos regionales y técnicas de downscaling, así como servicios climáticos que traducen la información de modelos en productos útiles para usuarios sectoriales. Este desarrollo continuo refleja un esfuerzo internacional coordinado y dependiente de grandes recursos de supercomputación.

11. Acciones clave para el uso responsable de modelos y escenarios

Para que los modelos climáticos contribuyan de forma efectiva a la gestión de riesgos y a la elaboración de políticas, conviene seguir algunas recomendaciones prácticas. En primer lugar, trabajar siempre con ensembles de modelos y escenarios, evitando basar decisiones en un único modelo o trayectoria. En segundo lugar, distinguir horizontes temporales: a corto plazo (próximas décadas) la variabilidad interna juega un papel importante, mientras que a finales de siglo domina la diferencia entre escenarios de emisiones. En tercer lugar, usar productos regionalizados y variables adaptadas al problema (por ejemplo, índices de calor, días secos consecutivos, intensidad de precipitaciones) en lugar de centrarse solo en medias anuales.

Además, es esencial documentar supuestos, fuentes de datos, métodos de regionalización y métricas de calidad, para garantizar transparencia y reproducibilidad. Los usuarios finales (administraciones, empresas, organizaciones civiles) se benefician cuando la información climática se co-diseña con expertos sectoriales, de manera que las proyecciones se traduzcan en indicadores de riesgo relevantes. Portales como los del IPCC, servicios meteorológicos nacionales y Copernicus ofrecen acceso abierto a datos y documentación que pueden incorporarse en análisis internos y planes estratégicos (https://www.copernicus.eu/en/copernicus-services/climate-change).

En resumen, el cambio climático es un fenómeno físico bien fundamentado que exige respuestas basadas en la mejor ciencia disponible. Los modelos climáticos y los escenarios derivados constituyen herramientas indispensables para anticipar cambios, evaluar riesgos y diseñar estrategias de adaptación y mitigación robustas en un contexto de incertidumbre inevitable.