Éghajlati modellezés. Szépszó Gabriella

Átírás

1 Éghajlati modellezés Szépszó Gabriella

2 TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Regionális leskálázás 4. A szimulációk bizonytalanságai 5. Összefoglalás

3 Alapfogalmak Idıjárás: A légkör egy adott idıponthoz tartozó pillanatnyi állapota Jellemzése: pillanatnyi értékekkel Éghajlat (klíma): Az éghajlati rendszer (ami már nemcsak a légkör) hosszú idı folyamán tanúsított állandósult viselkedése Jellemzése: statisztikai paraméterekkel május

4 Az éghajlati rendszer elemei légkör bioszféra szárazföldek vízburok tengeri jég, jégtakarók, gleccserek Forrás: Götz G., 2004 Éghajlati rendszer: a légkör és a vele kölcsönhatásban álló négy geoszféra együttese május

5 Légkör Az éghajlati rendszer központi, leginkább instabilis és legnagyobb változékonyságú komponense Állandó összetevık Üvegházhatású gázok Aeroszolok Felhık Sugárzás elnyelése, szórása, visszaverése Összetevı Koncentráció [%] Tartózkodás CO 2 0, év Metán 0, év Ózon 0, év CFC-k 0, év Vízgız Változó 10 nap május

6 Hidroszféra A Földfelszín 71 %-a: a felszíni és a felszín alatti vizek összessége Szén-dioxid elnyelı képesség Nagy hıkapacitás meridionális hıátvitel felét bonyolítja Nagy tehetetlenség hosszú igazodási idık ( év) A légkörinél jóval lassabb, 3D áramlási rendszer: Felszíni áramlatok: szél hajtotta rendszer Sőrőségkülönbség által mozgatott mélységi áramlatok: hımérséklet- és sótartalom-különbségek termohalin cirkuláció május

7 A felszíni tengeráramlatok fizikája Egyensúlyi áramlások: a hajtóerı és az eltérítıerı egyensúlya geosztrofikus áramlások 1 ρ v grad h p r r = 2Ω v h Szél az óceán fölött nyíróerı a felszíni víz mozgásba jön az áramló víz sebessége kb. a szélsebesség 3 százaléka Földforgás eltérítı ereje szögeltérés a felszínen (45?) fok, a mélységgel növekszik (Ekman-spirál) Ekman-sodrás: merıleges a szél irányára 1: szél 2: felszíni kényszer 4: Coriolis hatás 3: eredı erı május

8 Felszíni tengeráramlatok vázlata Intenzív áramlás egy keskeny csatornában május

9 A tengeráramlatok tényleges rendszere? Földet körbefutó áramlás május

10 Hımérséklet és sótartalom Nagyobb sótartalom nagyobb sőrőség Alacsonyabb hımérséklet nagyobb sőrőség Hımérséklet [K] Sótartalom [o/oo] Sőrőség [g/cm 3 ] Mélység [m] Párolgás Legnagyobb sőrőség a keveredési réteg alján ELTE, Kármán labor május

11 Hımérséklet vertikális profilja különbözı szélességeken május

12 Óceáni szállítószalag Átkeveredés: pólusok között: ~400 év medencék között: x1000 év május

13 Jégtakaró Kontinentális felszín Sarki jégmezık, gleccserek, felszíni hó, tengerjég A beérkezı Napsugárzás visszaverése Édesvíz-készlet óceáni cirkuláció Talajfelszín: Napsugárzás visszaverése + hosszúhullámú sugárzás a légkörbe Élıvilág Az élet színtere a Földön az ember is része A modellezés a növényekre koncentrál május

14 A legfontosabb éghajlatalakító tényezı A rövidhullr vidhullámú Napsugárz rzás megmaradó része áthalad a légkl gkörön CO 2, CH 4, ózon, H 2 O Az üvegházgázok zok a kisugárzott energia egy részét t visszatartják, ezzel melegítve a légkl gkört a felszín n közelk zelében A Napsugárz rzás egy része r el sem éri a felszínt, visszaverıdik A sugárzás által felmelegített felszín energiát sugároz a világőr felé Természetes üvegházhatás: ha nem lenne, ~33 fokkal lenne alacsonyabb a földi átlaghımérséklet (most ~15 o C) május

15 Az éghajlati rendszer évi átlagos globális energia-egyensúlya egyensúlya Teljes visszavert napsugárzás 107 Wm -2 Légköri gázok, felhık, aeroszolok által visszavert 77 Beérkezı napsugárzás 342 Wm -2 Légköri emisszió Felhızeti emisszió Légköri elnyelés Látens 78 hı Kimenı hosszúhull. sugárzás 235 Wm -2 Légköri ablak Felszín által visszavert 30 Felszín által elnyelt Termális Üvegházgázok Visszasugárzás Felszíni Evapotranspiráció Felszíni visszasug. elnyelés Hıegyensúly = hıbevétel hıleadás ( 0) május

16 A sugárzási egyenleg megváltozása Külsı kényszerek: Természetes: Napsugárzás intenzitásának, Föld pályájának változása, vulkánkitörések Antropogén: ipari tevékenység, stb. Az éghajlati rendszer mindig egyensúlyra törekszik nemegyensúlyi rendszer Visszacsatolások: öngerjesztı (pozitív) és csillapító (negatív) Csökkenı hımérséklet Emelkedı hımérséklet Változó X május

17 Éghajlati modellezés Az éghajlati rendszer, illetve a rendszer összetevıinek tanulmányozására, s az összetevık közötti kölcsönhatások elemzésére Egyetlen válaszadási lehetıség a kérdésre: miként reagál az éghajlat egy feltételezett kényszerre? Fizikai törvények minden összetevı és kölcsönhatás esetében Matematikai egyenletrendszer: nemlineáris parciális differenciálegyenlet-rendszer + kezdeti és peremfeltételek numerikus megoldás május

18 Sajátosságok A kezdeti feltételek hamar elveszítik hatásukat és a külsı kényszerek kormányozzák a rendszert Az éghajlati modellek nem a HTER egyszerő kiterjesztései a hosszabb idıtávok irányába Hanem: átalakítás kényszerített-disszipatív rendszerekké Fizikai parametrizációs eljárások fontossága: sugárzás, planetáris határréteg, felszíni folyamatok, nagyskálájú csapadék, konvekció (általában hidrosztatikus modellekrıl van szó) Kapcsolt modellrendszerek csatolás jelentısége május

19 A globális éghajlati modellek összetevıi Felszíni modell: talaj leírása Óceáni modell: tengeráramlatok, tengerjég Légköri modell Levegıkémia: aeroszolok, CO 2 körforgalom Élıvilág május

20 Az óceáni modellek típusai 1. Az óceán egyszerő nedves felület: a tengerfelszínhımérséklet (SST) a felszíni energia-egyensúly alapján számolódik, nincs hıtárolás és óceáni áramlatok; 2. Keveredési réteggel bíró óceán: az SST a felszíni energiaegyensúlyból és egy egyszerő keveredési réteg hıtárolása alapján számítódik továbbra sincsenek tengeráramlatok; 3. Óceáni általános cirkulációs modellek: az SST kiszámításánál a fentieken túl figyelembe veszik az áramlatok és feláramlások hatását május

21 3. Dinamikus óceáni cirkulációs modellek Az óceánt teljes mélységében tekinti Tartalmazza: az óceáni áramlások, a mélybıl való feláramlások, a szubgrid skálájú vertikális és horizontális örvényes diffúziós keveredési folyamatok leírását AGCM ununununununununununu SST: felszíni egyensúly, hıtárolás, advekció, diffúzió Új egyenletek bevezetésével leírja az óceáni áramlatok, a hımérséklet és a sótartalom változásait Felpörgés (spin-up): néhányszáz évet igényelhet, míg a legalsó rétegek is egyensúlyba kerülnek a felsı réteggel vagy a külsı kényszerekkel május

22 Az óceáni cirkulációs modellek jellemzıi Hidrosztatikus primitív egyenletek megoldása Rácsponti modellek (óceáni medencék) eltolt Arakawarácsok használatával Tipikus rácsfelbontás: km Felszínkövetı vagy izopiknikus vertikális koordináta-rendszer Felsı határfeltételek: momentum, látens és szenzibilis hı, csapadék Hasonló dinamika különbségek a fizikai parametrizációs eljárásokban: horizontális és vertikális diffúzió, keveredés május

23 A tengeri jég modellek A tengeri jég folyamatait leíró modell általában egyszerőbb pedig nagy jelentıséggel bír, ugyanis a jégképzıdés módosíthatja a klímaérzékenységet A korai jégmodellek egyszerő termodinamikai modellek voltak: csak hımérsékleti információkat használtak (víz + levegı) olvadás vagy fagyás minden rácspontra Léteznek bonyolultabb jégmodellek is: figyelembe veszik a jég mozgását, a repedések hatását és egy egyszerő jégdinamikai leírást is tartalmaznak május

24 Csatolási stratégia Kommunikáció: bizonyos idıközönként információcsere a komponensek között kapcsolatot biztosító felület Az óceáni modellben az SST, az áramlatok és a sótartalom igazodik a légkörtıl kapott kényszerekhez A tengerjég modellben a légköri + óceáni kényszerek (hımérséklet + áramlások) inputot szolgáltatnak, ez alapján a jégmodell új jégeloszlást számít Légköri igazodás az óceán és a jégfelszín kényszereihez v SST és tengerjég eloszlás Légköri modellkomponens Szél, P E, nettó hıfluxus Interpoláció, mértékegység-konverzió, idıbeli átlagolás, fluxus-korrekció nunununununununununununununununununununun Tengerjég modell Óceáni modellkomponens május

25 Éghajlati modellek alkalmazása Elsıként a múltra vonatkozó tesztelés eredmények összehasonlítása a múltban összegyőjtött megfigyelésekkel (validáció) Elvárt pontosság: az éghajlat átlagos jellemzıinek visszatükrözése egy éghajlati szimuláció úgy is lehet tökéletes, hogy közben egyetlen idıjárási eseményt sem jelzett elıre A feltérképezett gyengeségek alapján a modellt fejlesztik A kellıen pontos modellel a jövıre vonatkozó projekciókat készítenek feltételes prognózisok: hipotézisek az antropogén tevékenység alakulására május

26 Az emberi tevékenységet leíró forgatókönyvek május

27 Globális hımérsékletváltozás A globális modellek által jelzett globális hımérsékletváltozás Forrás: IPCC, május

28 Regionális sajátosságok Globális modellek: km-es vízszintes és 1 km-es függıleges rácstávolság Magyarország fölé ebbıl néhány (2-10) pont esik A regionális éghajlatváltozás iránya ellentétes lehet a globális tendenciákkal 90-es évek Ma A globális információ finomítása szükséges: 1. Statisztikus-empirikus leskálázás 2. Dinamikai módszerek Forrás: IPCC, AR május

29 1. Statisztikus leskálázás Globális éghajlat jellemzıi Globális éghajlat jellemzıi Múlt, például: Múltbeli kapcsolat majd ugyanez a jövıben Jövı, például: Regionális éghajlat jellemzıi Regionális éghajlat jellemzıi Egyszerősített példa: A múltban: T globális = T G T Keszthely =f(t G ) Ezzel a relációval a jövıre: T globális = T G + T T Keszthely = f(t G + T) május

30 Mi az elmélet gyenge pontja? Az elmélet feltételezi a globális és a regionális éghajlat közötti kapcsolat változatlanságát Ugyanakkor az éghajlati rendszer alkalmazkodik az ıt folyamatosan érı kényszerekhez, azaz folytonos változásban van Az alkalmazkodás idıskálája évszázadoktól évezredekig nyúlik, benne bonyolult visszacsatolásokkal és kölcsönhatásokkal A módszerrel nem tudjuk a globális és regionális éghajlat okokozati összefüggéseit, hosszútávú fejlıdését tanulmányozni május

31 2. Dinamikai módszerek Finomabb felbontású légköri általános cirkulációs modellek Változó felbontású légköri általános cirkulációs modellek Dinamikai leskálázás regionális (korlátos tartományú) éghajlati modellek segítségével május

32 Regionális finomítás globális modellekkel Lehetnek kapcsolt modellrendszerek de többségük légköri modell, óceáni kényszerek más kapcsolt modellintegrálásból Idıszeletes kísérletek Változó felbontású légköri általános cirkulációs modellek: Globális modellek, felbontásuk csak a kiválasztott terület felett nagyobb A felbontás-különbség nem növelhetı tetszılegesen Eltérı fizikai parametrizációk a különbözı felbontású területeken Idılépcsı kérdése (felbontás) május

33 Regionális éghajlati modellek Kisebb terület finomabb felbontás: km Néhány fizikai folyamat pontosabb, explicit leírása Részletesebb felszíni jellemzık (pl. domborzat, érdesség, albedó) Külsı kényszerek a peremfeltételeken keresztül Kifejlesztés: GCM-bıl (dinamika) vagy LAM-ból (fizika) Forrás: PRUDENCE május

34 A regionális projekciók sajátosságai 1. Peremfeltételek jelentısége 2. Tartomány és felbontás megválasztásának fontossága 3. A szimulációs hibák értelmezése 4. Többféle bizonytalanság május

35 1. A határfeltételek megválasztása

36 Határfeltételek A klasszikus kezdeti feltétel a hosszú integrálás során elveszíti jelentıségét (nem hosszútávú elırejelezhetıség) a peremfeltételek hatása döntı oldalsó határfeltételek A határfeltételek pontatlansága hatással van a regionális kísérlet eredményére Alkalmazható határfeltételek: 1. Tökéletes peremfeltételek re-analízisek (megfigyelések figyelembevételével) múltra 2. Szimulált peremfeltételek pl. globális modellkísérletek május

37 Re-analízisek Újra-analizált meteorológiai változók egy egész Földet lefedı 3D rácson Elıállítás: mérések + rövidtávú modell-elırejelzések + adatasszimiláció NCEP/NCAR, ECMWF re-analízisei: Térbeli felbontás: 125 km 60 függıleges modellszint Hatórás idıbeli felbontás az idıszakra Csak az áramlás nagyskálájú jellemzıit írják le május

38 Példa: átlaghımérséklet validáció LBC: ERA40 LBC: GCM A határfeltételtıl függı hibák A két kísérlet hibája különbözı hibatagokból áll elı: 1. Tökéletes LBC: (elvileg) csak a regionális modell hibája 2. Szimulált LBC: GCM + RCM hibája nem különíthetı el Melyik május 15. kísérlet alapján fejlesztik a a regionális modellt? 38

39 Elvárt pontosság A határfeltételtıl függıen eltérı pontosságot várunk el: 1. Tökéletes LBC: a megfigyelésekkel szinkron átlagos viselkedés az egyes évek beazonosíthatók 2. GCM LBC: harmincéves (vagy hosszabb) idıszakok átlaga, nincs szinkronitás az egyes évek nem azonosíthatók be LBC: ERA40 LBC: GCM május

40 Határfeltételek figyelembevétele Korrekt kitőzés helyett relaxáció φ t ( x, t) φ( x, t) + u x = K [ ] E ( x) φ( x, t) φ ( x, t) Hagyományosan: egyirányú csatolás (relaxációval) ideális: kétirányú relaxációs függvény Host modell Relaxációs zóna Korlátos tartományú modell külsı Forrás: május Lorenz 15. & Jacob 40

41 2. A tartomány és felbontás megválasztása

42 Tartomány megválasztásának szempontjai Cél: nagyskálájú információk figyelembevétele + kisskálájú cirkuláció kifejlesztése Tartomány mérete: Túl nagy tartomány a peremfeltételek hatása nem érvényesül a tartomány belsejében Túl kis tartomány a peremfeltételek uralják a regionális modellt, nincs mód önálló cirkuláció kialakulására Hamis hullámok a határ közelében A túl keskeny relaxációs zóna hatással van a belsı területekre is Ezt erısíti, ha a határok gyorsan változó domborzat felett húzódnak május

43 Példa: túl kis tartomány + peremek a hegyeken keresztül İszi csapadékhibák Mesterséges, valószerőtlen mintázatok a tartomány peremén Forrás: Csima G május

44 Felbontás megválasztásának szempontjai Fizikai határ: számítási kapacitás és modelljellemzık (dinamika + fizikai parametrizációk) A leskálázandó és leskálázott információ felbontásának aránya nem lehet tetszılegesen nagy Optimális: a felbontási arány nem haladja meg a 8-12-t május

45 3. Szimulációs hibák értelmezése

46 Pontosan ismerjük-e e a közelmúltat? Különbözı megfigyelési adatbázisok: CRU ECA Magyarországi adatok Nyári szárazság probléma: volt nincs Melyik A referencia? május

47 Hibák állandósága LBC: ERA-40, hımérsékleti hibák [ o C] HU: május

48 Korrigáljuk ıket? Mit tegyünk a hibákkal? Megfigyelések Regionális modell eredményei Regionális modell eredményei Múlt, például: Hibakorrekció, majd ugyanez a jövıben Jövı, például: Regionális modell eredményei Regionális modell eredményei Hátrány: elvész a fizikai konzisztencia, a modelleredmények nem használhatók további fizikai modellkísérletek inputjaiként Modellezıi megközelítés: a cél a hibák fizikai okainak kutatása és ezek alapján a modellek fejlesztése addig: delta-módszer május

49 Delta módszer: csak változás május

50 4. A modell-szimulációk bizonytalanságai

51 Bizonytalanságok és számszerősítésük Rövidtávon: legnagyobb jelentıséggel a kezdeti feltételek hibái és a modellhibák bírnak Az éghajlati modellezésben: 1. Természetes változékonyság 2. Modellek eltéréseibıl adódó bizonytalanság 3. Az emberi tevékenység bizonytalansága ensemble technika: multi-modell és multiszcenárió szimulációk Az egyes tagok egyforma súllyal szerepelnek? május

52 Globális modellszimulációk 15 (14) modell x 3 forgatókönyv = 45 (42) modellkísérlet Hımérséklet Csapadék május

53 Hawkins & Sutton, 2009, 2011 Térbeli sajátosságok H İ M É R S É K L E T Globális Európa C S A P A D É K Belsı változékonyság Forgatókönyvek Modellek Teljes május

54 Hımérséklet Jel zaj arány Csapadék Hawkins & Sutton, 2009, 2011 Jel: átlagos változás, zaj: szórás Maximum: hımérséklet ~2040; csapadék ~2070 Hosszabb idıszakra erısebb Modellbizonytalansággal és anélkül május

55 Éghajlati projekciók felhasználása Modell 1 Modell 2 Modell... 3D meteorológiai output mezık Bizonytalanságok Modell N Utó-feldolgozás: speciális statisztikai vagy dinamikai leskálázás Objektív hatásvizsgálati módszerek Felhasználás: gazdaság, társadalom, egészségügy, politika május

56 Hazai klímadinamikai tevékenység Modell Határfeltétel Felbontás Forgatókönyv ALADIN ARPEGE 10 km A1B REMO ECHAM5/MPI-OM 25 km A1B PRECIS HadCM3 25 km A2, B2, A1B RegCM ECHAM5/MPI-OM RegCM_25 10 km A1B Lefedett idıszakok: , , , 1951(1961) 2100 REMO ALADIN május

57 Összefoglalás Állandósult viselkedés (évtizedes idıskála) Külsı kényszerek kormányozzák a rendszert Érzékenység a kezdeti feltételekre, korlátozott elırejelezhetıség Projekció Elvárás: térben és idıben a légköri állapot pontos leírása Elvárás: éghajlati jellemzık pontos leírása Rövidtávú viselkedés (néhány óra 1-2 hét) Elırejelzés Általában légköri modellek Kapcsolt modellrendszerek május

58 Idıjárási vs.. éghajlati modellezés Rövidtávú viselkedés leírása: néhány óra 1-2 hét A kezdeti feltételekre való érzékenység korlátozott elırejelezhetıség Általában légköri folyamatokat leíró modellek Elvárás: térben és idıben a légköri állapot pontos leírása Elırejelzés Állandósult viselkedés leírása: évszakos évtizedes idıskála A kezdeti feltételek hatása hamar elvész külsı kényszerek kormányozzák a rendszert Kapcsolt modellrendszerek Elvárás: éghajlati jellemzık pontos leírása Projekció május

59 Globális modellek: nagyskálájú folyamatok Cél: globális projekciók finomítása Regionális éghajlati modellezés (Magyarországon is) A korlátos tartományú klímamodellezés újabb kérdéseket vet fel: Elvárt pontosság Határfeltételek szerepe Tartomány és felbontás megválasztása Hibák értelmezése Bizonytalanságok számszerősítése május

60 Reklám További információ: május