Az éghajlai modellszimulációk bizonyalanságainak felérképezése a Kárpá-medencére Szabó Péer (szabo.p@me.hu) és Szépszó Gabriella Taralom Alapfogalmak és az éghajlai rendszer Numerikus modellezés Az éghajlai szimulációk bizonyalanságai A módszeran Elér eredmények A jövı? Probléma-megoldó szeminárium IV. éves alkalmazo maemaikusoknak 2011. 10. 14. Idıjárás vs. éghajla idıjárás: a légkör egy ado idıponhoz arozó pillananyi állapoa jellemzése: pillananyi érékekkel Éghajla: az éghajlai rendszer hosszú idı folyamán (álalában 30 év) anúsío szokásos viselkedése jellemzése: saiszikai paraméerekkel Éghajlai rendszer: a légkör és a vele kölcsönhaásban álló 4 geoszféra együese Légkör az éghajlai rendszer közponi, leginkább insabilis és gyorsan válozó része üvegházhaású gázok, aeroszolok, felhık szerepe sugárzás elnyelése, szórása, visszaverése a felszín 71 %-a Óceánok Jég g Szárazf razföld nagy hıkapaciás ( élen fő, nyáron hő ) a légkörinél jóval lassabb áramlási rendszer felszínen szél, felszín ala sóaralom és hımérsékle különbség hajja szén-dioxid elnyelı képesség sarki jégmezık, gleccserek, felszíni hó, engeri jég albedó Bioszféra napsugárzás visszaverése és hosszúhullámú kisugárzás a légkörbe domborza akadály aeroszolok az éle színere (növények, állaok és ember) fooszinézis
Mindennek az alapja: üvegházhaás A légkörön áhaladó napsugárzás Az üvegházhaás egy ermészees folyama, ha nem lenne, 35 C fokkal lenne alacsonyabb a Föld álaghımérséklee. A napsugárzás egy része el sem éri a felszín, hanem a légkör eején visszaverıdik. albedó A sugárzás álal felmelegíe felszín energiá sugároz a világőr felé Ennek egy részé az üvegházhaású gázok visszaarják, ezzel melegíve a felszín és a légkör. H 2 O, CO 2, O 3, CH 4 Energiaegyensúly az éghajlai rendszer energiaegyensúlyban van beérkezı energia = ávozó energia rövidhullámú hosszúhullámú sugárzás ha valamilyen kényszer megbonja az egyensúly az éghajlai rendszer új egyensúlyi helyzere örekszik Sugárzási egyenleg megválozása= Éghajla-alakíó ényezık Külsı kényszerek - ermészees napsugárzás válozékonysága Föld pályaelemeinek válozásai Vulkánkiörés anropogén kényszerek anropogén üvegházhaás aeroszolok földhasznála-válozás éghajla belsı válozékonysága (egyensúlyra örekszik a légkör) Növekvı CO 2 Emelkedı hımérsékle A numerikus modellezés alapjai 1. A modellek képesek egyedül az éghajlai rendszer eljes leírására Egyedül ez képes a légkör külsı kényszerekre ado válaszá megadni (egyedüli járhaó ú) Fizikai örvények alapján nemlineáris parciális differenciálegyenle-rendszer numerikus (közelíı) megoldás Kezdei és peremfeléelek visszacsaolások Albedó csökken Olvadó jég A numerikus modellezés alapjai 2. A numerikus modellezés alapjai 3. A megoldandó hidro-ermodinamikai egyenlerendszer: Mozgásegyenleek Koninuiási egyenle Termodinamikai egyenle Nedvesség koninuiási egyenlee Állapoegyenle dv 1 = p+ g 2Ω v+ F+ S d ρ dρ = ρ divv d dq dt dp = c p α d d d dq 1 = M d ρ p= ρrt Térbeli diszkreizáció: horizonális és verikális rács (ezen állíjuk elı a kezdei feléel is) Idıbeli diszkreizáció: inegrálás lépésekben Dinamika - explici módon leírhaó Fizika - paramerizáció a úl bonyolul vagy a rácsávolságnál kisebb skálájú folyamaokra Nemlineáris parciális differenciál-egyenle rendszer, vegyes felada: kezdei és haárfeléeleke igényel
Idıjárási elırejelzések Éghajlai projekciók Globális modellek Rövidávú viselkedés leírása: néhány óra 10 nap A kezdei feléelekre érzékeny Légköri folyamaoka leíró modellek Elvárás: érben és idıben a légköri állapo ponos leírása Éghajlai álagok leírása: éves évizedes skála A kezdei feléelek haása hamar elvész külsı kényszerek a fonosak Nem csak egyszerően a HTER- erjeszjük ki; megmaradási örvények + paramerizációs eljárások fonosak Kapcsol, komplex modellrendszerek Elvárás: éghajlai jellemzık (~30 év) ponos leírása álalában kapcsol légkör-óceán modell + alajleírá levegıkémia, bioszféra egész Földre anropogén kényszerek: ún. kibocsáási forgaókönyvek (hipoézisek) szén-dioxid-egyenérékben összesíve 2000-es évek Egy klímamodell akkor is lehe ökélees, ha egyelen idıjárási esemény sem jelze elıre! Modelleredmények kiérékelése elsı lépés: múlra való eszelés validáció felérképeze gyengeségek alapján fejleszés jövıbeli válozások megadása: modellreferenciáól való elérés (dela módszer) bizonyalanságok (öbb modell és forgaókönyv) Az éghajlai szimulációk bizonyalanságai belsı válozékonyság modellek eléréseibıl eredı bizonyalanság Egy modell elérése a megfigyelésekıl 1961-1990 csapadék [%] emberi evékenység bizonyalansága Belsı válozékonyság A rendszer sajá ulajdonsága, külsı kényszer melle is léezik Modellekbıl eredı bizonyalanság Az egyes modellek más-más módon írnak le folyamaoka, pl: A rendek illeszése fonos: lineáris <-> negyedfokú elmúl 30 év <-> elmúl 50 év Felszín elérı (más adabázi domborza, albedó, érdesség) Elérı paramerizáció Modelleredményekben IS különbség Csapadékválozás ké modell alapján 2071 2100-ra Probléma-megoldó szeminárium Forrás: Lakaos Mónika, OMSZ
Módszeran A2 Forgaókönyvek bizonyalansága Hawkins & Suon, BAMS, 2009 illeve H&S, Climae Dynamic 2011 Emberi evékenység= külsı anropogén kényszer de jövıbeli alakulása nem ismer Különbözı hipoéziseke állíanak fel pesszimisa, opimisa, reális forgaókönyvekre Ezekben minden emberi evékenysége CO 2 -egyenérékre hoznak A modellek az éghajlai rendszernek erre ado válaszá szimulálják A1B Kiindulási adaok: szimulál globális éves álaghımérsékleek és csapadékösszegek 1951 és 2099 közö B1 15/14 globális éghajlai modell x 3 forgaókönyv = 45/42 szimuláció 1. lépés: egy negyedrendő polinom illeszése a modelleredményekhez (a legkisebb négyzeek módszerével): m: modell, s: szcenárió, : év X m, = x m, + i m,s + ε m, i: simío modell referencia-hımérsékle (jelenleg: 1971 2000), X és x: abszolúérékő nyers illeve simío modelleredmény elérése a referenciáól, ε : maradékag (belsı válozékonyság) 2. lépés: a súlyok megállapíása: mennyire képes egyegy modell visszaadni a referenciaól ve méréseken alapuló 0,25 o C-os melegedés (csak hımérséklenél, csapadéknál ez 1/14) W m 3. lépés: az egyes bizonyalanság-ípusok kiszámíása: Belsı válozékonyság: V = W var ε Modellek bizonyalansága: m ( ) w ( ) = varm( xm, ) s m s m, Forgaókönyv bizonyalansága: S = vars Wm xm, m N s : szcenáriók száma 3 M: modellek száma 15/14 M 1 N ( ) Feléelezés: a 3 ényezı függelen -> a szórások összeadhaók Teljes válozékonyság: ( ) = V + S( ) M( ) T + Idııl függelen Szimulál álagos muli-modell válozás (a modellek sajá referenciájukhoz viszonyíva): = 1 G N s m, s ( ) W m xm, A szimulál válozással arányos bizonyalanság: 1 T( ) F( ) =, 65 90 %-os konfidenciaszin G( ) Jel-zaj arány: 1 S / N( ) = F( ) precip > 1 Csapadéknál: σprecip Eredmények ké avalyi hallgaó Bizonyalansági arányok Egy forgaókönyvön belül a modellek mennyire érnek el Egy modell eredménye a három forgaókönyvre Belsı válozékonyság: egyelen szimulációra Válozással arányos válozékonyságok Forgaókönyv: gyors növekedés Belsı: jel nı, így gyorsan csökken Modell: lassan csökken
2011. okóber 14. Probléma-megoldó szeminárium 25 Terülei különbségek Forrás: Hawkins & Suon, 2009 Csapadék Forrás: Hawkins & Suon, 2009 & 2011 Álaghımérsékle Globális Európa Déli féleke Globáli éves Jellegé ekinve hasonló minden erülere. A vizsgál aromány szőkíésével a belsı válozékonyság haása álalában megerısödik. Belsı válozékonyság Forgaókönyvek Modellek Teljes Forgaókönyvek haása egyes erüleeken előnik, a modellek szerepe jelenıs Száhel öveze, JJA csapadék Belsı válozékonyság Forgaókönyvek Modellek Teljes Forrás: Hawkins & Suon, 2009 & 2011 Jel-zaj arány, álaghımérsékle Maximum: 30-50 év (kisebb erüleekre késıbb) Ok: növekvı forgaókönyv-bizonyalanság > 1 majdnem minden erülere és idıávra Nagyobb maximum a rópusi erüleeken, közepes és magasabb szélességeken kisebb bizonyalanabb A jövı 1. opció: Módszeran megérése: H&S, 2009, 2011 A módszeran megismélése globális modelleredményekre a globális (csapadék) kövekezeésekre koncenrálva illeve Európára 2. opció: Módszeran megérése: H&S, 2009, 2011 Eredmények Magyarországra koncenrálva hımérséklere és csapadékra 3. opció: Módszeran megérése: H&S, 2009, 2011 apróságok : Vajon a negyedfokú polinom a legjobb illeszés? A súlyozás megfelelı? Mennyire más anélkül? Jel-zaj arány vizsgálaa Miér? Ez ihon még újszerő kuaás. Felhasználók kaegorikusan gondolkodnak, az éghajlai modellezés ez nem eszi leheıvé, be kell épíeni a bizonyalanságoka a nekik ado válaszba. A öbb valóban öbb is. Modell 1 Modell 2 Modell... 3D meeorológiai oupu mezık Bizonyalanságok Uó-feldolgoz feldolgozás: speciális saiszikai vagy dinamikai leskálázás Modell N Összefoglalás 1. Az éghajlai rendszer bonyolul, numerikusan, dinamikus modellek segíségével kell leírni. A különbözıképpen felépíe modellek használaa az egyedüli járhaó ú az éghajla jövıbeli becslésére. A modelleke fejleszik, és az emberi evékenység jövıbeli haására kibocsáási forgaókönyvekeke hoznak lére. Az éghajlanak van ermészees válozékonysága, ez külsı kényszer nélkül is fellép. Objekív v haásvizsg svizsgálai módszerek Probléma-megoldó szeminárium gazdaság, g, ársadalom, egészs szségügy, gy, poliika
Összefoglalás 2. A három bizonyalanság (belsı, modellekbıl és szcenáriókból származó bizonyalanság) egymással összemérheı, de szerepük idıben nem állandó. Hımérséklenél: globális szinen a forgaókönyvek szerepe a század közepéig a modellekével összemérheı, majd az elızı lesz jelenısebb. Csapadéknál: globális szinen növekedé de erüleenkén eıl elérı projekciók. A szcenárió-bizonyalanság szerepe lecsökken, a modellek szerepe nı. Jel-zaj arány: hımérséklenél minden erülere álalában nagyobb, min 1 (hasznos információ, hogy mikor vagyunk a legbizosabbak), csapadéknál a közepes és magas szélességeken sokszor 1 alai. Köszönjük a figyelme! szabo.p@me.hu