AZ ÉGHAJLATI ÁTLAGOK ÉS A VÁLTOZÉKONYSÁG VÁRHATÓ VÁLTOZÁSAI 7 GCM EREDMÉNYEI ALAPJÁN Mika János, Máthé Csongor és Schlanger Vera Országos Meteorológiai Szolgálat, Budapest, Kitaibel Pál u.. E-mail: mika.j@met.hu, schlanger.v@met.hu Babes-Bolyai Tudományegyetem, Földrajz Kar, Clinicilor 5-7, Kolozsvár, Románia Összefoglalás Az IPCC () Harmadik Értékelő Jelentésében szereplő 7 általános cirkulációs modell (GCM) eredményei alapján összesítjük a Kárpát-medence térségére várható hőmérséklet- és csapadékváltozásokat a MAGICC/SCENGEN. szoftver-verzió felhasználásával. Bemutatjuk, hogy e változások hogyan viszonyulnak a 5 5 o N földrajzi szélességek közé eső övezetben, máshol szimulált változásokhoz. Számításaink az átlagok mellett a szórások változására, valamint a modell-eredmények egymás közötti eltéréseire is kiterjednek.. Bevezetés A légkör, a szárazföldek, az óceánok, a bioszféra és a krioszféra alkotta, ún. éghajlati rendszer egyike a valaha modellezett legbonyolultabb, nem lineáris rendszereknek. A figyelembe veendő méretskálák térben a felhőfizikai folyamatok milliméteres léptékétől az Egyenlítő hosszáig; időben a másodperces élettartamú mikro-turbulenciától a sok száz éves óceáni vízkörzésig tartanak. Nem meglepő, hogy mindezt egyetlen klímamodell nem is képes átfogni. A számítógép-kapacitás véges volta mellett, a szélső méretskáláknál számolni kell a megfigyelő rendszer korlátaiból fakadó ismeret-hiánnyal is. Dolgozatunkban mégis e metodika, a közvetlen globális modellezés hazánk térségére vonatkozó eredményeit összegezzük, hiszen világszerte ma még az ezeket kiegészítő, leskálázási eljárások (pl. Mika, ) sem nyújtanak végleges megoldást.. A feldolgozás módszere Az IPCC Harmadik Értékelő Jelentése (IPCC, ) a korábbiaknál behatóbban foglalkozik a regionális sajátosságok becslésével. Az. táblázatban bemutatjuk, hogy hol és milyen térbeli bontásban futtattak kapcsolt általános cirkulációs modelleket. A modelleredményekhez a MAGICC/SCENGEN szoftver újabb,. verziójával (WIGLEY et al., 3) jutottunk. E program, amely a korábbi. verzió (BARTHOLY et al., 5) továbbfejlesztése, s ami fontosabb teljesen új modelleket dolgoz fel, biztosította a 7 modell egységes felbontású kezelését. Az. ábrán vázlatosan bemutatjuk a diagnosztikai szoftver csomag két részének, a globális MAGICC, valamint a regionális eredmények egységesítését végző SCENGEN szubrutinnak a felépítését. A globális rész egy a lassú rendszert (óceán, szárazföld, stb.) egyetlen upwelling termodinamikai hőtartállyal helyettesítő, energia-egyensúlyi modell, amely segít a különféle globális kibocsátási forgatókönyvek egységesítésében, ún. átskálázásában. Ezen azt értjük, hogy minden egyedi modell globális megváltozását annak arányában módosítjuk, ahogyan az aktuális kísérlet éghajlati kényszerei (széndioxid-változás üteme, stb.) nyomán az energia-egyensúlyi modellben létrejövő globális hőmérsékletváltozás aránylik az eredeti modellekben alkalmazott (de a magas költségek miatt ott nem ismételhető) kényszerek hatásától.
A SCENGEN pedig nem tesz mást, mint ugyanebben az arányban módosítja minden modell regionális változásait, beleértve a változások lineáris átszámítását a felhasználó által igényelt jövőbeli időpontra. A SCENGEN keretében számításainkat 5 és között, negyedszázadonként végeztük, de hely hiányban (valamint az eredmények linearitására is tekintettel) csak a 5-ös évhez tartozó eredményeket mutatjuk be.. táblázat. A légkört és az óceánt együtt integráló, kapcsolt óceán-légkör modellek listája. L a modellszintek száma. (IPCC, ). Modell Ország Légköri felbontás Óceáni felbontás ARPAGE Franciaország (3,9 x 3,9) L9 (, x,) L3 BMRC Ausztrália (3, x 5,) L7 (3, x 5,) L CCSR/NIES Japán (5, x 5,) L (, x,) L7 CGCM Kanada (3, x 3,) L (, x,) L COLA Egyesült Államok (, x,) L (3, x 3,) L CSIRO Ausztrália (3, x 5,) L 9 (3, x 5,) L CSM Egyesült Államok (, x,) L (, x,) L5 DOE PCM Egyesült Államok (, x,) L (,7 x,7) L3 ECHAM/OPYC Németország (, x,) L9 (, x,) L GFDL Egyesült Államok (,3 x 3,) L (,9 x,) L GISS Egyesült Államok (, x 5,) L 9 (, x 5,) L3 GOALS Kína (,5 x 7,5) L 9 (, x 5,) L HadCM Nagy-Britannia (,5 x 3,) L9 (, x,) L IPSL/CM Franciaország (5, x 3,) L5 (, x,) L3 MRI Japán (, x,) L3 (, x,5) L3 NCAR Egyesült Államok (,5 x 7,5) L 9 (, x,) L NRL Egyesült Államok (,5 x,5) L (, x,) L5.ábra. A MAGICC/SCENGEN. szoftver csomag szerkezete (Wigley et al. 3)
3. A vizsgált terület Az általános cirkulációs modellek működésének lényege, hogy a tömeg, az energia és az impulzusmomentum megmaradásán alapuló parciális differenciálegyenleteket a teljes Földre (ráadásul a felszíntől legalább a sztratoszferikus ózon-rétegig terjedő teljes légoszlopra és a kapcsolódó óceáni és szárazföldi rétegekre) egyszerre kell megoldani. Ez óriási információ halmaz, amiben elvesznénk, illetve aminek egy része kívül esik érdeklődési körünkön is. A csak hazánkra érvényes számítások és az átfogható (a felszíni adatok tekintetében akár a MAGICC/SCENGEN-ből a saját számítógépünkön is kinyerhető) teljesség közötti kompromiszszumként a. ábrán látható, 5-5 északi szélesség közötti övezetre gyűjtöttük ki a 7 modellszámítás vonatkoztatott eredményeit. Ezen belül, a közép-európára eső, EU régiót, azon belül hazánkat külön is figyelemmel kísérjük. Az övezeten belüli megnevezésekkel elhatárolt területek nem teljesen önkényesek: elhatárolásukban segített az, hogy az övezeten belül ezek a térségek közel hasonló topográfiával, illetve az óceánok esetében, az áramlási kör egységesen hideg, illetve meleg ágához tartoznak. A térségek eme sajátosságaira az ábraaláírásokban mindvégig utalni fogunk.. ábra. A 5. és az 5. északi szélesség közötti, vizsgált övezet (fent) illetve azon belül az Eu jelű térség, a benne foglalt országokkal, így hazánk területével. Az eredeti modellek -5 km-es felbontását a szoftver egységesen 5x5 fokos hálózatra számítja át (lent). Pa és Pa Csendes-óceán: () hideg ill.() meleg áramlat, Am és Am Észak Amerika: () hegység, () síkság, tavak, At és At Atlanti-óceán: () hideg ill.() meleg áramlat, Eu és Eu Európa: () hegység Alpok, Kárpátok, () síkság, As és As Ázsia: () magasföld, hegység ill. () hegység
. Eredmények Elsőként a 3. ábrán bemutatjuk, hogy milyen a megfigyelt és a 7 modell átlagában szimulált jelenkori hőmérsékleti és csapadék-értékek eltérése a vizsgált a 5 5 o N földrajzi szélességek közé eső övezetben. A hőmérséklet esetében, első ránézésre szembetűnik, hogy a modelladatok és a valós értékek között a legjobb egyezés az óceáni térségek felett mutatkozik, sőt az Atlanti-óceán keleti (At) és a Csendes-óceán nyugati (Pa) részén teljes egybeesésről beszélhetünk. A kontinensek felett azonban a modellek felülbecsülnek ( o C körüli mértékben), kivéve Ázsia keleti és Amerika nyugati részét, ahol ennek épp az ellenkezője igaz. A csapadék esetében általában szintén a modellek erős felülbecslését kell megállapítanunk. Teljes egybeesés mindössze Amerika keleti részén figyelhető meg. Egyszersmind, észrevehető, hogy a legjobb közelítés a valós értékekhez az óceáni régiókban mutatkozik. o C 5 5-5 - A jelenkori éves hőmérséklet alakulása a megfigyelések és a 7 modellszimuláció átlaga alapján.,5 modell adatok megfigyelt adatok mm 5 3 - - A jelenkori éves csapadékösszeg a megfigyelések és a 7 modellszimuláció átlaga alapján.,5 modell adatok megfigyelt adatok 3. ábra. A csapadék és hőmérséklet megfigyelt területi átlagértékei az 9 és 99 közötti időszakban, valamint a 7 modell jelen klíma reprodukálása által kapott jelenlegi értékek, ( modell adatok ), a 5. és az 5. északi szélesség közötti 5 x 5 fokos négyzetekben. Pa és Pa Csendes-óceán: () hideg ill.() meleg áramlat, Am és Am Észak Amerika: () hegység, () síkság, tavak, At és At Atlanti-óceán: () hideg ill.() meleg áramlat, Eu és Eu Európa: () hegység Alpok, Kárpátok, () síkság, As és As Ázsia: () magasföld, hegység ill. () hegység A továbbiakban e fejezetben mindvégig a 5-re, azaz (a 7 modell átlagában),3 o C-os globális melegedés esetére kapott eredményeket fogjuk bemutatni.
A hőmérséklet 5-re szóló előrejelzésében (. ábra), kirajzolódik az óceánkontinens kontraszt: a szárazföldek melegszenek a leggyorsabban, s ez megfigyelhető az évi középhőmérséklet előrebecslésénél is. Az éves átlagban a kontinensek és az óceánok felett előrejelzett melegedési tendenciák között,5 o C körüli különbség mutatkozik, míg a téli évszakban o C körüli is lehet a különbség. A várható legszolidabb melegedés a hideg Északatlanti áramlat esetében várható, itt, o C az évi átlagos változás. A két nagy óceáni medence közül, ha nem is nagy különbségekkel, de a csendes-óceáni fog várhatóan erősebben melegedni. Összehasonlításul: 5-re a 7 GCM átlagában a globális átlaghőmérséklet,3 o C- kal emelkedik. A hőmérsékleti változások kontinensek közötti összevetéséből kitűnik, hogy mindig Európa melegszik a legkevésbé, a szárazföldi minimum (, o C) is Közép-Kelet-Európára várható. Amerika ebbe az övezetbe eső részén a legnagyobb melegedési mérték a kontinens közepére esik, fokozatos csökkenéssel a két óceán irányában. Hasonló megállapítást tehetünk Ázsiára is, azzal a különbséggel, hogy Európa miatt aszimmetrikussá válik ez a fordított állású parabola. A téli évszakban a legnagyobbak a kontrasztok. Amerika esetében, o C melegedés várható, ami meredeken csökken az Atlanti-óceán központi zónája felé. Eurázsiában nyugatról kelet felé enyhén melegedő trend (,, o C) figyelhető meg. Nyáron a kontinensek felett általában,9 o C melegedést várhatunk. A csapadékösszegek változásából 5-re megfigyelhető (5. ábra), hogy döntően az Atlanti-óceán és Európa nagytérségei a legproblematikusabb térségek, ahol a csapadékösszeg csökkenésére számíthatunk. Az Atlanti-óceán minden esetben a legalacsonyabb értékekkel rendelkezik. A Csendes-óceán térsége ezzel szemben, jóval magasabb változási mértéket jegyez. Télen sehol sem várható csapadékcsökkenés, még az Atlanti-óceán térségében is,-os növekedés várható. A másik két minimum Európában illetve Ázsia és a Csendes-óceán találkozásánál alakul ki. A legerősebb csapadéknövekedés Ázsiában várható, s itt lépnek fel a legnagyobb anomáliák ( ) is. Ezt követi Amerika 3 5 növekedéssel. A nyári hónapokban várható az első két térség csapadék hiányának erősödése (-), ehhez társul Amerika nyugati partvidéke (-3) is. Az évi átlagoknál egyértelmű az atlanti-európai csapadék csökkenése (-,5 -).,,,,,,, Téli átlaghőmérséklet változása 5-re,5,,,,,,, Nyári átlaghőmérséklet változása 5-re,5,,,,,,, Évi átlaghőmérséklet változása 5-re,5. ábra. A hőmérsékletváltozás becslése 5- re 7 GCM alapján, a 5-5. északi szélesség közötti, 5x5 fokos mintaterületeken. Minden térség 5-5 területet foglal magába. Pa és Pa Csendes-óceán: () hideg ill.() meleg áramlat Am és Am É-Amerika: () hegység ill. () síkság és tavak At és At Atlanti-óceán: () hideg ill. () meleg áramlat Eu és Eu Európa: () hegység ill. () síkság As és As Ázsia: () magasföld hegység ill () hegység
7 5 3 - Téli csapadékösszeg változása 5-re,5 Nyári csapadékösszeg változása 5-re 3 - - -3 - -5 - -7 -,5 3 - - -3 Éves csapadékösszeg változása 5-re,5 5. ábra. A csapadék változásának a becslése () 5-re 7 GCM alapján, a 5-5. északi szélesség közötti, 5 x 5 fokos mintaterületeken. Minden nevesített térség 5-5 ilyen területet foglal magába. Pa és Pa Csendes-óceán: () hideg ill.() meleg áramlat Am és Am É-Amerika: () hegység ill. () síkság és tavak At és At Atlanti-óceán: () hideg ill. () meleg áramlat Eu és Eu Európa: () hegység ill. () síkság As és As Ázsia: () magasföld, hegység ill. () hegység E számítási eredmények bemutatása után azt azért be kell mutatnunk, hogy az egyes modellek válaszai eléggé eltérnek egymástól. Ehhez voltaképpen kiterjesztettük a hőmérsékleti és a csapadékváltozásokra az IPCC () jelentésében még csak 9 modell-párra bemutatott szembesítést mind a 7 modellre, amit a SCENGEN.-es újabb verziójával feldolgoztunk (. táblázat). A pattern-korrelációkat a 3. északi szélességtől északra eső területre számítottuk ki. Amint ez a táblázatból kitűnik, a csapadék előrebecslésének esetében a különböző modellek lényegese eltérő adatokat adnak. Az alacsony korrelációs együtthatók dominanciájának magyarázata a modellek korlátozott felbontóképessége áll. A csapadék összegek alakulását befolyásoló légköri képződmények a modellekben nem tudnak kialakulni. A csapadékösszegek változása esetében ezért nem alakulnak ki 99-os szinten szignifikáns kapcsolatok, viszont 95-os szinten szignifikáns együtthatók akadnak bőven. A 7 felhasznált modell hőmérsékletváltozásainak térbeli hasonlósága kielégítő. A korrelációs együttható, mely megmutatja, hogy a változások területi eloszlása mennyire hasonló a modell-párok többségében 95-os, 3 esetben 99-os szinten szignifikáns. Előfordulnak ugyanakkor szélsőségesen alacsony korrelációs együtthatók is a hőmérsékletváltozás vizsgált mezőinek területi hasonlóságát illetően. A 7 modellben és a SCENGEN-ben hozzáférhetővé váltak a hőmérséklet és a csapadék napi értékeinek szórás-mezői. E mennyiségek, mint a változékonyságnak egyben a szélsőségek alakulására is utaló mutatói a -7. ábrán láthatók. Amíg a hőmérséklet szórása csak nyáron mutat az övezetben mindenütt egyirányú változást (növekedést), addig a csapadék esetében csak ez az évszak mutat jelentős arányú csökkenő szórású területeteket.
. táblázat. Tizenhét különböző klímamodell megváltozás-mezőinek területi korrelációi az 9 és 99 közötti időszakra, Az sárga színnel jelölt, átló feletti értékek a hőmérsékletre, a kék színnel jelölt, átló alatti értékek a csapadékra vonatkoznak. A 99-os szinten szignifikáns együtthatók vastag, a 95-on szignifikánsak dőlt szedésben láthatók. Ez a táblázat az IPCC Harmadik Helyzetértékelő Jelentésében szereplő 9 modell-pár összehasonlításának saját kibővítése. A vizsgált terület a 3. Északi szélességtől északra eső rácspontok. A B C D E F G H I J K L M N O P R A 7 5 5 9 9 7 7 5 5 7 3 7 5 3 B 77 7 7 7 7 75 7 55 9 5 C 3 9 35 35 39 5 7 7 75 5-37 53 9 D 5 5 5 57 3 7 7-3 5 39 5 E 3 7 5 7 39 57 5 3 7 5 F 5 5-5 - 3-73 9 G 55 5 53 35 9 39 5 5 5 H 3 7 59 5 57 7 7 7 3 9 9 I 37 3 5 3 7 5 7 7-3 5 5 57 J 7 3 5 5 7 3 5 53 - - K 7 9 3 33 3 39 5 9 57 3 L 39 5 9 5 7 5 3 7 5 39 5 M 5 3 7 5 5 3 3 39 59 3-7 -7 N 39 5 3 37 5 37 5 5 5 55 3 3 9 O 3 7 5 3 3 5 35 3 5 3 37 3 75 P 3 53 3 5 37 R 3 3 9 3 5 3 37 3 5 33 a hőmérséklet modellek közti korrelációja a csapadék modellek közti korrelációja Modell kód A B C D E F G H Modell neve BMRCD CCCD CCSRD CERFD CSID CSMD ECH3D ECHD M.k. I J K L M N O P R M.n. GFDLD GISSD HADD HAD3D IAP_D LMD_D MRI_D PCM_D W&M_D A szórások övezeten belüli futásában arra számítottunk, hogy valamilyen rendezett különbség fog mutatkozni a szárazföldi és az óceáni területek között. Azonban nem így történt, mert amit vizsgálunk az már nem maga a szórás, hanem csupán annak megváltozása a,3 o C globális melegedés hatására. Ennek az övezeten belüli struktúrája a téli hőmérsékletváltozás hármas hullámszámmal jellemezhető alakzatát leszámítva, jobbára szabálytalan. Magyarország térségében (Eu két négyzete) a hőmérséklet szórása csak nyáron emelkedik pár százalékkal (5-re). A másik három évszakban alig változik. Ez természetesen nem azt jelenti, hogy a szélsőségesen magas hőmérsékletű napok nem válnak gyakoribbakká, csupán azt, hogy ennek döntő hányada azért alakul ki, mert maga az átlaghőmérséklet (ami körüli ingadozást a szórással jellemezzük) emelkedik. A napi csapadék szórása ugyanakkor néhány -kal mindegyik évszakban növekszik. Mivel a negatív csapadék nem létezik, ezért biztos, hogy ez a szórásnövekedés csak úgy jöhet létre, hogy megnő a relatíve nagy csapadékú napok gyakorisága, illetve az ilyen napok csapadékhozama. Hangsúlyozzuk, hogy e változások a 7 modell átlagában értendők. Az egyes modellek válaszai e téren is bizonyosan eltérőek, hiszen az átlagok megváltozásában is ezt tapasztaltuk.
- - - - - Hőmérséklet szórásának változása 5-re, tél,5 - - A napi csapadék téli szórásváltozása 5-re,5 - - Hőmérséklet szórásának változása 5-re, tavasz,5 - - A napi csapadék tavaszi szórásváltozása 5-re,5 - - Hőmérséklet szórásának változása 5-re, nyár,5 - - - - - A napi csapadék nyári szórásváltozása 5-re,5 - - - - - Hőmérséklet szórásának változása 5-re, ősz,5. ábra A hőmérséklet napi szórásának változása 5-re 7 modell alapján. (A felbontást és értelmezést l. a. ábránál.) - - A napi csapadék őszi szórásváltozása 5-re,5 7. ábra A csapadék napi szórásának változása 5-re 7 modell alapján. (A felbontást és értelmezést l. a. ábránál.)
5. Diszkusszió A globális klímamodellek korlátozott felbontásuk és ebből fakadó hiányosságaik ellenére fontos eszközei a regionális alkalmazkodási forgatókönyveknek. Írásunkban 7 ilyen, ún. általános cirkulációs modell (angolul: GCM) alapján rajzoljuk fel, hogy milyen hőmérsékleti és csapadék-változások várhatók a 5-5 északi szélesség övezetében, ideértve a Kárpát medence térségét is. A modellfutások eredményeit a MAGICC/SCENGEN program. verziója hozta azonos felbontású és azonos kibocsátási forgatókönyvhöz tartozó alakra. Számításaink a modellek jóságát a jelen klíma reprodukcióján és az egyes modellek közötti eltéréseken keresztül illusztrálják. Magukat a változásokat a 5-ös évre vonatkoztatva mutattuk be. Az eredmények alapján az alábbi következtetésekre jutottunk: A megfigyelt hőmérsékleti és csapadékátlagok az övezeten belül nagy eltéréseket mutatnak. A 7 modell átlagos hőmérsékleti és csapadék becslése meglehetősen eltér a valóságtól. A különbség számos sávban több fok, illetve sokszor tíz százalék nagyságrendű. A jelenkori klímát a modellek közel hasonlóan, azaz csekély, tized fokokban és százalékokban kifejezhető modell-közi szórással reprodukálják. Az évi középhőmérséklet emelkedése a 5-5 N övezeten belül 5-re majdnem mindenhol meghaladja a globális átlagban jellemző,, o C-os változást. Az évi csapadékösszeg változása a közép-európai térség kivételével, mindenütt pozitív. Az aeroszol-részecskék koncentráció-növekedése a modellekben gyengíti mindkét elem változásait. A melegedés hatására éves átlagban mind a hőmérséklet, mind a csapadék szórása erősödik a vizsgált övezetben. Ugyanakkor, amint ezt a bemutatott verifikációs eredmények is megmutatták, hogy a klímamodellek korlátozott felbontása, s emiatt korlátozott fizikai tartalma, ma még nem teszi lehetővé, hogy a Föld egyes térségeire egyetlen lépésben biztos tartalmú feltételes prognózisokat készítsünk. A több lépésben és több párhuzamos eljáráson alapuló, ún. leskálázással készült becslésekről (ideértve a beágyazott modellekkel operáló, fizikai leskálázást is) a 3. Meteorológiai Tudományos Napok tanulmányai (WEIDINGER, ) számoltak be. E megszorítás miatt a hazánkra vonatkozó, modell-becslések bemutatott átlagai is csak első közelítésnek tekinthetők annak érdekében, hogy előjelében és mértében körvonalazni tudjuk a várható változásokat, amiből továbbgondolhatók a főbb alkalmazkodási kihívások is. Köszönetnyilvánítás: A kutatást az NKFP 3A// számú CLIMPAQ program támogatta. Irodalom BARTHOLY J., MIKA J., PONGRÁCZ R., SCHLANGER V. (5): A globális felmelegedés éghajlati sajátosságai a Kárpát-medencében. In: Éghajlatváltozás a világban és Magyarországon (szerk.: Takács-Sánta A.), Alinea Kiadó Védegylet, Budapest. pp. 5-39. IPCC, (): Climate Change : The Scientific Basis. Contribution of WG I to the Third Assessment Report of the IPCC (Houghton J. T., et al., eds.), Cambridge University. Press, Cambridge, UK., New York, N.Y. USA, p. http//:www.ipcc.ch. MIKA J., (): Statisztikus leskálázás nemzetközi körkép, hazai eredmények In: Az éghajlat regionális módosulásának objektív becslését megalapozó klímadinamikai kutatások. (Weidinger T. szerk.), 3. Meteorológiai Tudományos Napok. 5. Budapest, 3-77 WEIDINGER T. (szerk.), (): Az éghajlat regionális módosulásának objektív becslését megalapozó klímadinamikai kutatások. 3. Meteorológiai Tudományos Napok. 5. Budapest WIGLEY, T.M.L, RAPER, S.C., SMITH, S. and HULME M., (): The MAGICC/SCENGEN Climate Scenario Generator: Version.: Techn. Manual, Climatic Res. Unit, UEA, Norwich. WIGLEY et al., (3): MAGICC/SCENGEN.: http://www.cgd.ucar.edu/cas/wigley/magicc/index.html.