Éghajlati modellezés 2. rész: Regionális éghajlati modellezés Összeállította: Szépszó Gabriella szepszo.g@.g@met.hu TARTALOM. Regionális projekciók 2. Regionális éghajlati modellezés 3. A regionális modellezés kérdései 4. Hazai klímadinamikai tevékenység 5. Kitérı Regionális sajátosságok Regionalizációs technikák Globális modellek: 250-00 km-es vízszintes és km-es függıleges rácssőrőség Magyarország fölé ebbıl néhány (2-0) pont esik A regionális éghajlatváltozás iránya ellentétes lehet a globális tendenciákkal 0-es évek Ma. Statisztikus-empirikus leskálázás 2. Dinamikai módszerek A globális információ finomítása szükséges Forrás: IPCC, AR4 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 3 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 4
Múlt, például: 6 0 Globális éghajlat jellemzıi Regionális éghajlat jellemzıi Egyszerősített példa:. Statisztikus leskálázás Múltbeli kapcsolat, majd ugyanez a jövıben. Globális éghajlat jellemzıi Regionális éghajlat jellemzıi A múltban: T globális =5 o C T Keszthely =T Ezzel a relációval a jövıre: T globális =5+6 o C T Keszthely =? Jövı, például: 202 2050 Mi az elmélet gyenge pontja? Az elmélet feltételezi a globális és a regionális éghajlat közötti kapcsolat változatlanságát Márpedig az éghajlati rendszer folytonosan alkalmazkodik az ıt ért kényszerekhez, azaz folytonos változásban van Az alkalmazkodás idıskálája évszázadoktól évezredekig nyúlik, benne bonyolult visszacsatolásokkal és kölcsönhatásokkal Következésképp: a módszer nem alkalmas arra, hogy A regionális éghajlat hosszútávú fejlıdését leírjuk; A regionális éghajlat ok-okozati összefüggéseit tanulmányozzuk. 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 5 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 6 2. Dinamikai módszerek Finomabb felbontású légköri általános cirkulációs modellek Változó felbontású légköri általános cirkulációs modellek Dinamikai leskálázás regionális (korlátos tartományú) éghajlati modellek segítségével 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 7 Regionális finomítás globális modellekkel Finomabb felbontású légköri általános cirkulációs modellek óceáni kényszerek idıszeletes kísérletek Változó felbontású légköri általános cirkulációs modellek Globális modellek, melyek felbontása csak az érdekesebb terület felett nagyobb A felbontás-különbség nem növelhetı tetszılegesen Eltérı fizikai parametrizációk a különbözı felbontású területeken Idılépcsı kérdése 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 8
Az éghajlati rendszer elemei Az éghajlati modellek összetevıi légkör Felszíni modell: talaj leírása Óceáni modell: tengeráramlatok, tengerjég Légköri modell bioszféra vízburok szárazföldek tengeri jég, jégtakarók, gleccserek Forrás: Götz G., 2004 Levegıkémia: aeroszolok, CO 2 körforgalom Élıvilág A dinamikus regionális leskálázás során (általában) a A regionális finomításra használt modellek is lehetnek légkörre koncentrálunk. 200. kapcsolt április 22. modellrendszerek http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ de zömük légköri modell. 0 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ A regionális éghajlati modellek A regionális modellezés jellemzıi Kisebb területre koncentrálás finomabb felbontás Néhány fizikai folyamat pontosabb, explicit leírása A felszíni jellemzık (pl. domborzat, érdesség, albedo) részletesebb figyelembevétele Szélsıséges jelenségek megbízhatóbb szimulálása (régen: nagyobb idıbeli felbontás, mint globális esetben) A információkat és kényszereket a peremfeltételeken keresztül veszi figyelembe a regionális modell Forrás: PRUDENCE 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 2
A regionális modellek kifejlesztése A modellek alkalmazása Globális általános cirkulációs modellekbıl a dinamika átalakításával Például a REMO modell ECHAM GCM modellfizika + egy idıjárási modell dinamikája Rövidtávú idıjárás-elırejelzı modellekbıl a fizikai parametrizációs eljárások módosításával Például a Csehországban használt ALADIN-Climate: a rövidtávú ALADIN modell klímaváltozata 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 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 3 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 4 A regionális projekciók sajátosságai. A kezdeti feltételek hamar elveszítik hatásukat és a külsı kényszerek kormányozzák a rendszert 2. Peremfeltételek jelentısége: csatolás típusa, hibák kioltódása 3. Tartomány és felbontás megválasztásának fontossága: méret, határok és felbontási arány. A kezdeti feltételek hatása 4. Felpörgési idıszak 5. A szimulációs hibák értelmezése és mit tudunk a közelmúlt klímájáról? 6. Többféle bizonytalanság 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 5
A kezdeti feltételek hatása A regionális éghajlatváltozás Globális kényszer Korlátos tartományú eset: a kezdeti feltétel adott idı után a tartományon belül már nem bír hatással az elırejelzést a peremfeltételek határozzák meg Mekkora ez az idıskála? A regionális éghajlati modellt a nagyskálájú kényszerek kormányozzák, azaz 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 7 Például: légköri szén-dioxid koncentráció megváltozása Az éghajlati rendszer válasza Globális modell Például: hımérsékletváltozás az egész Földön minden rácspontban Regionális modell A regionális cirkuláció által kialakított reakció Például: hımérsékletváltozás az európai rácspontokban 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 8 Természetes belsı változékonyság Globális modellkísérletek: eltérı kiindulás bizonytalan jel Kérdés: Eltérı kezdeti állapotból indított globális modellkísérletek regionális leskálázása Ugyanaz a globális modell, de eltérı kiindulási feltételekbıl Regionális kísérletek kiindulása eltérı Milyen mértékő bizonytalanságot hoz be az eredményekbe? Forrás: Klaus Keuler, 200 Valójában itt eltérı a globális válasz (peremfeltétel), amelyet a regionális modellel leskáláznak. 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 2. A határfeltételek megválasztása
Az oldalsó peremfeltételek Re-analízisek A klasszikus kezdeti feltétel a hosszú integrálás során elveszíti jelentıségét (nem hosszútávú elırejelezhetıség) az oldalsó peremfeltételek hatása döntı Alkalmazható határfeltételek:. Tökéletes peremfeltételek re-analízisek (megfigyelések figyelembevételével) múltra 2. Szimulált peremfeltételek pl. globális modellkísérletek Meteorológiai változók egy egész Földet lefedı 3-dimenziós rácson Elıállításukhoz mérési információkat és pontos modellelırejelzéseket használtak fel Többféle: NCEP/NCAR re-analízisei, ECMWF re-analízisei: Térbeli felbontás: 25 km 60 függıleges szint Hatórás idıbeli bontás az 57 2002 idıszakra Csak az áramlás nagyskálájú jellemzıit írják le 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 2 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 22 Példa: átlaghımérséklet validáció Elvárt pontosság LBC: ERA40 LBC: GCM A határfeltételtıl függıen eltérı pontosságot várunk el: LBC: ERA40. 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: GCM A határfeltételtıl függıen különbözı nagyságú hibát kapunk A két kísérlet hibája különbözı hibatagokból áll elı:. Tökéletes LBC: (elvileg) csak a regionális modell hibája 2. Szimulált LBC: GCM + RCM hibája nem különíthetı el Melyik 200. április 22. kísérlet alapján http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ fejlesztik a a regionális modellt? 23 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 24
Speciális peremfeltételek Nem a globális eredmények egyszerő leskálázása, hanem: dupla vagy többszörös csatolás Hagyományosan: egyirányú csatolás ideális: kétirányú csatolás 3. A tartomány és felbontás megválasztása Host modell Relaxációs zóna Korlátos tartományú modell Forrás: 200. április Lorenz 22. & Jacob http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 25 Tartomány megválasztásának szempontjai Tartomány peremei Cél: nagyskálájú információk figyelembevétele + kisskálájú cirkuláció kifejlesztése Tartomány mérete: Ha a tartomány túl nagy a peremfeltételek hatása nem érvényesül a tartomány belsejében Ha a tartomány túl kicsi a peremfeltételek uralják a regionális modellt, nincs mód önálló cirkuláció kialakulására A peremfeltételek következtében hamis hullámok a határ közelében Ha túl keskeny a relaxációs zóna, akkor ez hatással lehet a belsı területekre is Ezt erısíti, ha a határok gyorsan változó domborzat felett húzódnak 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 27 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 28
Példa: túl kis tartomány + peremek a hegyeken keresztül Felbontás megválasztásának szempontjai İszi csapadékhibák 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 8-2-t Mesterséges mintázatok a tartomány peremén Forrás: Csima G. 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 2 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 30 Példa 4. A felpörgési idıszak 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 3
Felpörgési idıszak Egyensúlyba kerülés Globális modellnél: külsı kényszer az éghajlati rendszer alkalmazkodása az egyes komponensek igazodási ideje eltérı 0 nap 000 év Regionális modellnél: a finomfelbontású alsó határfeltételekhez való igazodás (talajnedvesség, hóborítottság) A különbözı modellrészek alkalmazkodási ideje: Légkör: néhány nap Talajnedvesség, -hımérséklet (-2 m): néhány év 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 33 5. Szimulációs hibák értelmezése Pontosan ismerjük-e e a közelmúltat? Példa: a hibák idıbeli állandósága Különbözı megfigyelési adatbázisok: Re-analízisek CRU ECA Magyarországi adatok Téli csapadékeltérések (6 2000) Melyik A referencia? Forrás: Szabó P. 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 35 6 7 0 8 0 LBC: ERA-40, hımérsékleti hibák [ o C] HU: 2.4.5 Feltételezés: a hiba-tulajdonságok idıben állandók igaz-e, milyen idıtávon tartható ez a feltételezés? 2.0.8 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 36 7 8 0 2 0 0 0
Példa: a hibák értéktıl való függése Mit tegyünk a hibákkal? Korrigáljuk ıket? Megfigyelések Regionális modell eredményei Regionális modell eredményei Regionális modell eredményei Regionális modell eredményei Múlt, például: 6 0 Hibakorrekció, majd ugyanez a jövıben. Jövı, például: 202 2050 Nagyobb szimulált érték esetén nagyobb hiba (nem szabály!) 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 37 Modellezıi megközelítés: a cél a hibák fizikai okainak kutatása és ezek alapján a modellek fejlesztése Addig is: delta-módszer 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 38 Delta módszer: csak változás 6. A modell-szimulációkban rejlı bizonytalanságok 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 3
Mi a bizonytalanság? Bizonytalanságok típusai Hibás tudás? Az éghajlati modellezésben: Egy tipikus éghajlati projekció több modellkísérlet együttese Hiányos tudás??. Természetes változékonyság a kezdeti feltételek bizonytalansága 2. Modellek eltéréseibıl adódó bizonytalanság A globális modellek által jelzett globális hımérsékletváltozás Információ az információink korlátairól? 3. Az emberi tevékenység bizonytalansága 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 4 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 42 Térbeli sajátosságok Térbeli sajátosságok Átlagos felszíni hımérséklet Forrás: Hawkins and Sutton Az egyes bizonytalanság típusok egymáshoz viszonyított aránya függ a vizsgált területtıl. 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 43 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 44 Hagemann & Jacob, 2007
Idıbeli változás Elsı évtized: belsı változékonyság Idıbeli változás Második évtized: modellek bizonytalansága Évszázad vége: nagyobb a forgatókönyvekbıl adódó bizonytalanság Forrás: Hawkins and Sutton 202 2050: nagyobb eltérések a GCM-ek különbségeinek okán Az egyes bizonytalanságok egymáshoz viszonyított aránya függ az integrálási idıszaktól. 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 45 Jel zaj arány 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 46 Bizonytalanságok számszerősítése Valószínőségi (ensemble) elırejelzések Jel: átlagos változás, zaj: szórás Rövidtávon a legelterjedtebb a kezdeti feltétel hibáira való érzékenység számszerősítése Hosszú távon figyelembe kell venni: A különbözı modellek dinamikájának és fizikai parametrizációinak eltéréseit Az emberi tevékenység jövıbeli alakulásának bizonytalanságait Forrás: Hawkins and Sutton Tehát: éghajlati skálán multi-modell projekciók Maximum a trópusokon, ettıl távolodva csökken Van egy maximum az idıbeli menetben (30-80 év) Mindenütt meghaladja az -et 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ Az egyes tagok egyforma súllyal szerepelnek? 47 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 48
Éghajlati projekciók felhasználása Hazai klímadinamikai tevékenység Modell Modell 2 Modell... 3D meteorológiai output mezık Bizonytalanságok Utó-feldolgozás: speciális statisztikai vagy dinamikai leskálázás Objektív hatásvizsgálati módszerek Modell N Felhasználás: gazdaság, társadalom, egészségügy, politika 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 4 O M S Z E L T E Modell ALADIN ALADIN REMO REMO PRECIS PRECIS RegCM RegCM LBC ERA40 ARPEGE ERA40 ECHAM5/MPI-OM ERA40 HadCM3 ERA40 ECHAM5/MPI-OM RegCM_25 Felbontás 25 és 0 km 0 km 25 km 25 km 25 km 25 km 0 km 0 km Szcenárió AB AB A2, B2 AB 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 50 - - - - Idıszakok 6 2000 6 200 6 2000 5 200 6 0 0 6 0 0 207 200 200 6 0 0 6 0 0 202 2050 2050 207 200 200 Modelltartományok REMO ALADIN Kitérı Egyéb klíma-alkalmazás: szélklimatológia Motiváció: szél-erımővek telepítéséhez pontos felszínközeli szél-információ az erımővek rotor-magasságában (75-50 m) Módszer: a durvább térbeli felbontású globális mezık dinamikai leskálázása egy korlátos tartományú modell (LAM) segítségével PRECIS RegCM 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 5 Kérdés: miért nem méréseket használunk erre? A globális mezık idıfüggı peremfeltételt szolgáltatnak a LAM számára nagyskálájú információ Elıny: a LAM finomabb felbontása, a fizikai folyamatok és felszíni jellemzık (pl. domborzat) pontosabb leírása 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 52
A módszer A leskálázás lépései Kiindulási adatok: ERA-40 re-analízisek 3D meteorológiai mezık az egész Földet lefedı rácson Ezek az áramlás nagyskálájú jellemzıit írják le 25 km 45 km Több lépésben történı leskálázás a rövidtávú ALADIN modellel rövidtávú elırejelzések készítése 5 km 5 km Utolsó lépés: speciális dinamikai adaptáció (Zagar et al., ) 5 km-es felbontáson Speciális utófeldolgozás 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 53 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 54 A leskálázás hatása a pillanatnyi szélmezıre Eredmény és összehasonlítás (0 m) 25 km 45 km Klimatológiai leskálázás: ALADIN_DADA, 5 km, LBC: ERA40 Igazi klíma-szimuláció: ALADIN-Climate, 0 km, LBC: ERA40 5 km 5 km A rövidtávú modell nagyobb átlagos szélsebességeket jelez. 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 55 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 56
Összefoglalás A globális éghajlati rendszer fejlıdésének leírása globális modellekkel Két fontos eltérés a rövidtávú idıjárási modellezéstıl: Aszimptotikus, állandósult viselkedés leírása a cél Csatolt modellrendszer, mely az éghajlati rendszer minden komponensét és kölcsönhatását együttesen célozza leírni Projekciók (nem elırejelzések) hipotetikus kényszerek Globális modellezés: nagyskálájú információk pontos leírása Cél: globális projekciók finomítása regionalizációs technikák Regionális éghajlati modellezés (Magyarországon is) A korlátos tartományú klímamodellezés újabb kérdéseket vet fel: Elvárt pontosság Határfeltételek szerepe Tartomány és felbontás megválasztása (nem új probléma) Hibák értelmezése Bizonytalanságok számszerősítése De: a regionális változások iránya eltérhet a globálistól 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 58 200. április 22. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 5