Éghajlati modellezés Szépszó Gabriella szepszo.g@.g@met.hu
TARTALOM 1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Regionális leskálázás 4. A szimulációk bizonytalanságai 5. Összefoglalás
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 3
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 4
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 0,038 20-150 év Metán 0,00017 4-5 év Ózon 0,000004 2 év CFC-k 0,00000002 100-1000 év Vízgız Változó 10 nap 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 5
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 (10-1000 év) A légkörinél jóval lassabb, 3D áramlási rendszer: Felszíni áramlatok: szél hajtotta rendszer Sőrőségkülönbség által mozgatott mélységi áramlatok: hımérséklet- és sótartalom-különbségek termohalin cirkuláció 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 6
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 10-15 (45?) fok, a mélységgel növekszik (Ekman-spirál) Ekman-sodrás: merıleges a szél irányára 1: szél 2: felszíni kényszer 4: Coriolis hatás 3: eredı erı 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 7
Felszíni tengeráramlatok vázlata Intenzív áramlás egy keskeny csatornában 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 8
A tengeráramlatok tényleges rendszere? Földet körbefutó áramlás 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 9
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 10
Hımérséklet vertikális profilja különbözı szélességeken 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 11
Óceáni szállítószalag Átkeveredés: pólusok között: ~400 év medencék között: x1000 év 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 12
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 13
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) 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 14
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) 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 15
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 16
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 17
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 18
A globális éghajlati modellek összetevıi Felszíni modell: talaj leírása Óceáni modell: tengeráramlatok, tengerjég Légköri modell Levegıkémia: aeroszolok, CO 2 körforgalom Élıvilág 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 19
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 20
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 21
Az óceáni cirkulációs modellek jellemzıi Hidrosztatikus primitív egyenletek megoldása Rácsponti modellek (óceáni medencék) eltolt Arakawarácsok használatával Tipikus rácsfelbontás: 100-300 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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 22
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 23
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 24
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 25
Az emberi tevékenységet leíró forgatókönyvek 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 26
Globális hımérsékletváltozás A globális modellek által jelzett globális hımérsékletváltozás Forrás: IPCC, 2001 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 27
Regionális sajátosságok Globális modellek: 250-100 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, AR4 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 28
1. Statisztikus leskálázás Globális éghajlat jellemzıi Globális éghajlat jellemzıi Múlt, például: 1961 1990 Múltbeli kapcsolat majd ugyanez a jövıben Jövı, például: 2021 2050 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) 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 29
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 30
2. Dinamikai módszerek Finomabb felbontású légköri általános cirkulációs modellek Változó felbontású légköri általános cirkulációs modellek Dinamikai leskálázás regionális (korlátos tartományú) éghajlati modellek segítségével 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 31
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) 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 32
Regionális éghajlati modellek Kisebb terület finomabb felbontás: 10-25 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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 33
A regionális projekciók sajátosságai 1. Peremfeltételek jelentısége 2. Tartomány és felbontás megválasztásának fontossága 3. A szimulációs hibák értelmezése 4. Többféle bizonytalanság 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 34
1. A határfeltételek megválasztása
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 36
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 1957 2002 idıszakra Csak az áramlás nagyskálájú jellemzıit írják le 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 37
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 2012. május 15. kísérlet alapján http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ fejlesztik a a regionális modellt? 38
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 39
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: 2012. május Lorenz 15. & Jacob http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 40
2. A tartomány és felbontás megválasztása
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 42
Példa: túl kis tartomány + peremek a hegyeken keresztül İszi csapadékhibák Mesterséges, valószerőtlen mintázatok a tartomány peremén Forrás: Csima G. 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 43
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 44
3. Szimulációs hibák értelmezése
Pontosan ismerjük-e e a közelmúltat? Különbözı megfigyelési adatbázisok: CRU ECA Magyarországi adatok Nyári szárazság probléma: volt nincs Melyik A referencia? 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 46
Hibák állandósága 1961 1970 LBC: ERA-40, hımérsékleti hibák [ o C] HU: 2.4 1971 1980 1.5 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 47
Korrigáljuk ıket? Mit tegyünk a hibákkal? Megfigyelések Regionális modell eredményei Regionális modell eredményei Múlt, például: 1961 1990 Hibakorrekció, majd ugyanez a jövıben Jövı, például: 2021 2050 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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 48
Delta módszer: csak változás 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 49
4. A modell-szimulációk bizonytalanságai
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? 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 51
Globális modellszimulációk 15 (14) modell x 3 forgatókönyv = 45 (42) modellkísérlet Hımérséklet Csapadék 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 52
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 53
Hımérséklet Jel zaj arány Csapadék Hawkins & Sutton, 2009, 2011 Jel: átlagos változás, zaj: szórás Maximum: hımérséklet ~2040; csapadék ~2070 Hosszabb idıszakra erısebb 2021 2030 2030 Modellbizonytalansággal és anélkül 2021 2049 2049 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 54
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 55
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: 1961 1990, 2021 2050, 2071 2100, 1951(1961) 2100 REMO ALADIN 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 56
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 57
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 58
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 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 59
Reklám További információ: http://www.met.hu/nmo http://www.met.hu/nmo/climate 2012. május 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 60