1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés

Átírás

1 Éghajlati modellezés 1. rész: A globális éghajlati rendszer és modellezése Szépszó Gabriella szepszo.g@met.hu TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés Az éghajlati rendszer elemei TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés vízburok légkör bioszféra szárazföldek tengeri jég, jégtakarók, gleccserek Forrás: Götz G., 2004 Éghajlati rendszer: a légkör és a vele érintkezésben levı négy geoszféra kölcsönhatásban álló együttese április

2 Légkör A légkör vertikális szerkezete Az éghajlati rendszer központi, leginkább instabilis és legnagyobb változékonyságú komponense Állandó összetevık Üvegházhatású gázok (errıl késıbb) Szilárd és cseppfolyós részecskék (aeroszolok) Felhık Sugárzás elnyelése, szórása, visszaverése Termoszféra Mezoszféra Összetevı Koncentráció [%] Tartózkodás CO 2 0, év Metán 0, év Ózon 0, év CFC-k 0, év Vízgız Változó 10 nap Nitrogén ~78 % Argon: ~1 % Oxigén ~21 % Sztratoszféra Troposzféra április április A légköri cirkuláció Hidroszféra Leáramlás A Földfelszín 71 %-a: a felszíni és a felszín alatti vizek összessége Feláramlás Poláris jet Szubtrópusi jet Nagy hıkapacitás meridionális hıátvitel felét bonyolítja A légkörinél jóval lassabb, 3D áramlási rendszer: Felszíni áramlatok: szél hajtotta rendszer Sőrőségkülönbség által mozgatott mélységi áramlatok: hımérséklet- és sótartalom-különbségek termohalin cirkuláció Nagy tehetetlenség hosszú igazodási idık ( év) Szén-dioxid elnyelı képesség április április

3 A felszíni tengeráramlatok fizikája Felszíni tengeráramlatok vázlata Egyensúlyi áramlások: a hajtóerı és az eltérítıerı egyensúlya geosztrofikus áramlások Intenzív áramlás egy keskeny csatornában 1 r r gradhp = 2Ω vh ρ v 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 (Ekmanspirál) Ekman-sodrás: merıleges a szél irányára 1: szél 2: felszíni kényszer 4: Coriolis hatás 3: eredı erı április április A tengeráramlatok tényleges rendszere A Golf-áramlatról leszakadó örvények Labrador Golf Hiányoznak körök április április

4 Termohalin cirkuláció: sótartalom + hımérséklet eltéréseibıl adódó sőrőségkülönbségek A hımérséklet vertikális profilja különbözı szélességeken Emlékeztetı: Nagyobb sótartalom nagyobb sőrőség Alacsonyabb hımérséklet április nagyobb sőrőség április Sós ujjak A keveredési réteg és a termoklin zóna vastagsága Forrás: ELTE, Kármán labor Kezdetben: felül melegebb víz Párolgás növekvı sótartalom sós víz leáramlása Legnagyobb sőrőség a keveredési réteg alján Eltőnik április április

5 Egy óceáni medence sematikus három-dimenziós áramlási rendszere Az atlanti óceán mélységi áramlatainak sematikus metszete Átkeveredés: pólusok között: ~400 év medencék között: x1000 év Felszíni vizek Középvizek Észak-atlanti mélyvíz Antarktikus fenékvíz április április Óceáni szállítószalag Krioszféra Grönlandi, antarktiszi jégmezık, gleccserek, felszíni hó, tengerjég Termikus tehetetlenség, alacsony hıvezetı képesség A beérkezı Napsugárzás nagyarányú visszaverése ( tükör albedo) Mélytengeri cirkuláció kormányzása április április

6 A tengerjég kiterjedésének változása Kontinentális felszín Érdesség dinamikai hatás Aeroszolok forrása Északi sark, szeptember és március, átlag Antarktisz, március és szeptember Vegetáció és talajfelszín hatása: Rövidhullámú Napsugárzás visszaverése Infravörös sugárzás a légkörbe április április Bioszféra Az élet színtere a Földön: összes élılényközösség (növények + állatok + emberek) a kölcsönhatásaikkal együtt Gyakorlatban: növénypopuláció (tengeri és szárazföldi) Befolyásolja az üvegházgázok biokémiai forgalmát elsısorban a légkör és az óceán szén-dioxid forgalmát április Idıjárás: Alapfogalmak 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 szokásos viselkedése Jellemzése: statisztikai paraméterekkel április

7 A legfontosabb éghajlat-alakító alakító tényezı Melyek az üvegházgázok és mi az üvegházhatás? A Nap sugárzása (egyenlıtlen földrajzi eloszlás) Sugárzás-átvitel Korlátos: a Földön nincs sem nyelı, sem forrás A légkl gkörön áthaladó Napsugárz rzás A Napsugárz rzás s egy része el sem éri a felszínt, visszaverıdik A sugárz rzás által felmelegített felszín energiát t sugároz a világőr r felé Az üvegházgázok zok a kisugárzott energia egy részr szét visszatartják, ezzel melegítve a légkl gkört CO 2, CH 4, ózon, H 2 O Hı infravörös sugárzás az őrbe április Hıegyensúly = hıbevétel hıleadás (=0) Természetes üvegházhatás: ha nem lenne, mintegy 35 fokkal lenne április alacsonyabb a földi átlaghımérséklet (most ~15 o C). A CO 2 koncentrációjának alakulása 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 április április

8 A sugárzási egyenleg megváltozása Éghajlatalakító tényezık és ezekhez való igazodás: Napsugárzás intenzitásának módosulása Sugárzás-átvitel feltételeinek módosulása Felszínközeli energiabevétel módosulása Hıegyenleg megváltozása sugárzási kényszer (a tropopauzára vonatkoztatva számszerősítik) Külsı kényszerek: Természetes: pl. a Napsugárzás intenzitásának, a Föld pályájának változása, vulkánkitörés Antropogén: ipari tevékenység Belsı éghajlatalakító mechanizmus az éghajlati rendszer mindig egyensúlyra törekszik Kényszerhez történı igazodás eltérı alkalmazkodási idık április április Az összetevık közötti kölcsönhatások Visszacsatolások Az összetevık közötti kölcsönhatások a klímaállapot természetes változékonyságát idézik elı Növekvı CO 2 + Hımérséklet jég albedó visszacsatolás: Felszíni hımérséklet növekedése jégtakaró csökkenése sugárzás-visszaverıdés csökkenése Visszacsatolások: Emelkedı hımérséklet Felhızet sugárzás visszacsatolás: Öngerjesztı pozitív Csillapító negatív Pozitív visszahatás Változó X Felhık: a bennük lévı vízgız üvegházhatású (melegít), ugyanakkor a fehér felület sok Napsugárzást visszaver (hőt) összességében inkább hőtenek, mint főtenek április április

9 TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés 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 (hipotetikus) kényszerre? Fizikai törvények minden összetevı és kölcsönhatás esetében Matematikai egyenletrendszer: nemlineáris parciális differenciálegyenlet-rendszer + kezdeti és peremfeltételek numerikus megoldás április Sajátosságok A globális éghajlati modellek összetevıi 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 megmaradási törvények teljesülése Fizikai parametrizációs eljárások fontossága: sugárzás, planetáris határréteg, felszíni folyamatok, nagyskálájú csapadék, konvekció (általában hidrosztatikus modellekrıl van szó) Kapcsolt modellrendszerek csatolás jelentısége Felszíni modell: talaj leírása Levegıkémia: aeroszolok, CO 2 körforgalom Légköri modell Óceáni modell: tengeráramlatok, tengerjég Élıvilág április április

10 TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés Az óceáni modellek típusai 1. Swamp óceán: a tengerfelszín-hımérséklet (SST) a felszíni energia-egyensúly alapján számolódik, nincs hıtárolás és óceáni áramlatok; 2. Slab óceán: az SST a felszíni energia-egyensúlyból 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 Az elsı két leírásmód nem dinamikai alapon történik április Nedves felület swamp óceán Az óceán egyszerő nedves felületként viselkedik ebben a leírásmódban A hıt nem tárolja, és a (felszíni és mélységi) óceáni áramlások sem befolyásolják az SST-t AGCM nununununununununununu SST: felszíni energia-egyensúly Mivel nincs hıtárolás, ezért csak éves átlagos sugárzási kényszert képes figyelembe venni a modell nincs évszakos menet A légköri kényszerekre azonnal reagál a modell, ezért számítási szempontból olcsó: elegendı néhány évre futtatni A tengerfelszín-hımérséklet számítása: S + F F H LE = 0 ahol S az elnyelt Napsugárzás, F a lefelé irányuló IRsugárzás, F a felfelé irányuló IR-sugárzás, H a szenzibilis hı, LE a párolgás látens hıje április A légköri komponenshez csatolva jól vizsgálható vele például, mennyire érzékeny az éghajlati rendszer egy külsı kényszerre mint a megváltozó Napállandó vagy a növekvı szén-dioxid kibocsátás április

11 2. Keveredési réteggel bíró, slab óceán A tengerfelszín-hımérséklet számítása AGCM Az óceán méteres vastagsággal rendelkezik Lehetıvé teszi egy egyszerő évszakos hıkapacitás leírását a felsı óceáni rétegben Vizsgálható vele az éghajlati rendszer évszakos érzékenysége A modellrendszert egy egyensúly beálltáig futtatják (kb. 20 év) A modellben nincsenek óceáni áramlások, azaz a horizontális hıtranszportot nem írja le szisztematikus SST-hibák Mellızi a vertikális áramlások leírását is ρ c p ununununununununununun SST: felszíni egyensúly + hıtárolás T h = S+ F t F H LE ahol T a tengerfelszín-hımérséklet, ρ a vízsőrőség, c p tengervíz fajlagos hıkapacitása, h a mélység Számítási szempontból sokkal költségesebb az elızı modelltípusnál mivel a hıtárolás miatt az óceán lassabban kerül egyensúlyba a légkörrel, viszont realisztikusabb viszonyokat ír le április április Dinamikus óceáni cirkulációs modellek Az óceánt teljes mélységében tekinti A teljes leírásmód felveti a spin-up (felpörgés) kérdését: a teljes óceáni tömeg igazodási ideje nagyon hosszú milyen hosszú integrálási idı után éri el azt a pontot a modell, amelytıl érzékenységi kísérletek kezdhetık? Az elızıeken kívül tartalmazza: az óceáni áramlások, a mélybıl való feláramlások, a szubgrid skálájú vertikális és horizontális örvényes diffúziós keveredési folyamatok leírását AGCM ununununununununununun SST: felszíni egyensúly, hıtárolás, advekció, diffúzió Új egyenletek bevezetésével leírja az óceáni áramlatok, a hımérséklet és a sótartalom változásait Néhányszáz évet igényelhet, míg a legalsó rétegek is egyensúlyba kerülnek a felsı réteggel vagy a légkörrel A számítási költséget fokozza a több egyenlet, a mélységi szintek megnövekedett száma, valamint a hosszú integrálási idı Kompromisszum: durva horizontális felbontás április április

12 A dinamikus óceáni modellek jellemzıi Hidrosztatikus primitív egyenletek megoldása Rácsponti modellek eltolt Arakawa-rácsok használatával Tipikus rácsfelbontás: km Vertikális irányban felszínkövetı vagy izopiknikus koordináta rendszer Felsı határfeltételek: momentum, látens és szenzibilis hı, csapadék Hasonló dinamika nagyobb különbségek a fizikai parametrizációs eljárásokban: horizontális és vertikális diffúzió, keveredés április Csatolási stratégiák Az egyes légköri, óceáni és tengeri jég modellkomponensek közötti kommunikáció megvalósításához az információ bizonyos idıközönként történı cseréjére van szükség Mivel a különbözı modellkomponensek fejlesztése általában elkülönítve történik, ezért fontos a kapcsolatot biztosító felület kialakítása Átadandó paraméterek kompatibilitása : közös mértékegység, rács, stb. Csatolási frekvencia és az idıbeli átlagolás megválasztása április A csatolás sematikus rajza A légköri komponens kommunikációja az óceánnal és a tengeri jéggel v Légköri modellkomponens T.f.h. egy modell-naponként történik a kommunikáció minden komponens között szél + édesvíz + lefolyás + hı szél + édesvíz + lefolyás + hı SST és tengerjég eloszlás Tengerjég modell nunununununununununununununununununununun Óceáni modellkomponens Szél, P E, nettó hıfluxus Interpoláció, mértékegység-konverzió, idıbeli átlagolás, fluxus-korrekció április állandó SST és jégborítottság állandó SST és jégborítottság 0 állandó légköri paraméterek 24h állandó légköri paraméterek 48h SST + tengeri jég globális mezıje 1-napos AGCM integrálás 1-napos OGCM integrálás SST + tengeri jég globális mezıje 1-napos AGCM integrálás 1-napos OGCM integrálás április

13 Az 1-napos légköri számítás során mindvégig a kapott SST- és jégborítottság értékekkel számolnak A számítás végén a légköri modellben az óceáni és jégmodellek által igényelt mezıket kiátlagolják idıben (1 napra) Ezek a paraméterek: Felszíni szélnyírás: τ = C x τ = C y ρ V u ahol u és v a horizontális szélkomponensek a legalsó légköri szinten, V pedig az ezekbıl képzett sebesség, C D (empirikus) ellenállási együttható Nettó édesvíz bevétel: F fresh =P E (Lefolyás a szárazföldrıl) Az óceán felé irányuló nettó hıfluxus: H net = S+F F H LE D D ρ V v 1 A tengeri jég modell kommunikációja az óceánnal és a légköri komponenssel Az SST, az áramlatok és a sótartalom igazodik a légkörtıl kapott kényszerekhez az óceáni modellben A tengeri jég modellben hasonló adaptáció történik a légköri és az óceáni kényszerekhez A tengeri jég folyamatait leíró modell általában igen egyszerő pedig nagy jelentıséggel bír, ugyanis a jégképzıdés módosíthatja a klímaérzékenységet április április A korai jégmodellek egyszerő termodinamikai modellek voltak: csak hımérsékleti információkat használtak fel a vízét alulról és a levegıét felülrıl, s ez alapján határozták meg az olvadást vagy fagyást minden rácspontra A jég mozgását és sok fontos dinamikai folyamatot nem írtak le Léteznek bonyolultabb jégmodellek is: figyelembe veszik a jég mozgását, a repedések hatását és egy egyszerő jégdinamikai leírást is tartalmaznak Tehát a légköri komponens és az óceáni komponensek bemenı adatokat szolgáltatnak a jégmodell számára a hımérsékletre és az áramlásokra vonatkozóan, amely alapján a jégmodell egy új jég-eloszlást számít Az adatok ugyanolyan egynapos ciklusokban és átlagolással kerülnek átadásra, mint a korábban ismertetett esetben TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés április

14 Éghajlati projekciók készítése A modellek alkalmazása Egyensúlyi módszer: egy feltételezett kényszer megváltoztatásával (pl. a légköri CO 2 mennyiségének megduplázódása) integrálják a modellt egy új egyensúlyi állapot eléréséig A kontroll és kísérleti futtatás összevetése Akár x1000 éves integrálás is szükséges lehet A klímaváltozás idıbeli lefolyásáról nem ad információt Tranziens módszer: a kényszerek (pl. CO 2 -koncentráció) változási forgatókönyvei alapján történı gerjesztés A klíma változásának idıfüggése a kontrollal való összehasonlítás révén április A modellt elıször a múltra vonatkozóan teszteljük eredményeit összehasonlítjuk a múltban összegyőjtött megfigyelésekkel Elvárt pontosság: az éghajlat átlagos jellemzıinek visszatükrözése egy éghajlati modell 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 április Forgatókönyvek az emberi tevékenység jövıbeli alakulására pesszimista forgatókönyv Globális hımérsékletváltozás A globális modellek által jelzett globális hımérsékletváltozás Forrás: IPCC, 2001 optimista április április Forrás: IPCC,

15 Egyéb vizsgálatok: termohalin cirkuláció Az óceáni cirkulációt az óceánban fellépı sőrőségkülönbségek kiegyenlítésére irányuló törekvés határozza meg A sőrőségkülönbségeket a hımérsékleti és sótartalomeltérések okozzák termohalin cirkuláció Éghajlati rendszerünk Achilles-sarka (Broecker, 1997) április A változó felszíni kényszerek hatása a termohalin cirkulációra Az üvegházgázok koncentrációjának növekedése globális melegedés Csökkenı meridionális hımérsékleti különbség a poláris és a trópusi területek között gyengülı felszíni hıtranszport Módosuló párolgás-csapadék-lefolyás egyensúly Melegebb klímaállapot sarki jég olvadása több édesvíz a poláris és szubpoláris tengerekbe csökken a vízsüllyedés intenzitása A termohalin cirkuláció gyengülése, leállása április Megfigyelések Modellkísérletek Az arktiszi tengeri jégmezı kiterjedésének zsugorodása, a nyári átlagos jégvastagság csökkenése, az egész éven át fennmaradó tengeri jégmezı területének csökkenése A grönlandi jégtömeg csökkenése A szubpoláris tengerek Atlanti-óceánba táplálódó vizének sótartalma az elmúlt negyven évben redukálódott Sótartalom A termohalin cirkuláció a közelmúltban is (~8500 évvel ezelıtt) leállt már A kapcsolt modell szimulációk megmutatták, hogy a termohalin cirkulációnak nem egy egyensúlyi állapota létezik Modellkísérletekkel vizsgálták a fokozódó üvegházgázkoncentráció hatását A modellek többségében a kényszer hatására gyengült a termohalin cirkuláció, kisebb részük viszont nem reagált rá Atlanti-óceáni átkeveredés április április

16 TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés 1990-es évek A globális éghajlati modellek felbontás-változása Ma, 2010 Olaszország, Izland nem látható Forrás: IPCC, AR április Regionális sajátosságok Irodalom Globális modellek: km-es vízszintes és 1 km-es függıleges rácssőrőség Magyarország fölé ebbıl néhány (2-10) pont esik A regionális klímaváltozás iránya ellentétes lehet a globális változásokéval A globális információ finomítása szükséges A következı óra témája Czelnai R., Götz G., Iványi Zs., 1998: Bevezetés a meteorológiába II. (A mozgó légkör és óceán) Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, pp Götz G., 2006: Az éghajlat dinamikájának néhány nyitott kérdésérıl (összefoglaló tanulmány). 31. Meteorológiai Tudományos Napok, beszámolókötet, pp IPCC: Climate Change 2001: The Scientific Basic április április