A KÁRPÁT-MEDENCE TÉRSÉGÉRE VONATKOZÓ ÉGHAJLATI SZCENÁRIÓK ELEMZÉSE A PRECIS FINOM FELBONTÁSÚ REGIONÁLIS KLÍMAMODELL FELHASZNÁLÁSÁVAL A doktori (PhD) értekezés tézisei PIECZKA ILDIKÓ FÖLDTUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA Iskolavezetı: Dr. Gábris Gyula egyetemi tanár FÖLDRAJZ-METEOROLÓGIA PROGRAM Programvezetı: Dr. Nemes-Nagy József egyetemi tanár Témavezetı: Dr. habil. BARTHOLY JUDIT tanszékvezetı egyetemi tanár Konzulens: dr. PONGRÁCZ RITA adjunktus EÖTVÖS LORÁND TUDOMÁNYEGYETEM METEOROLÓGIAI TANSZÉK BUDAPEST, 2012
A VIZSGÁLT PROBLÉMAKÖR, CÉLKITŐZÉSEK Az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) jelentéseiben összegzett klímakutatások alapján nagyon valószínőtlen, hogy a XX. században megfigyelt melegedés teljes egészében természetes okokra visszavezethetı legyen. Sokkal valószínőbb, hogy a detektált melegedés nagy része antropogén tevékenységnek tudható be. A mérési adatsorokból a globális átlaghımérséklet növekedésén túl az egyes régiók közti jelentıs különbségek is kitőnnek. A magyarországi hımérsékleti mérések idısorában szignifikáns változások mutathatók ki. Az évi középhımérséklet közel 1 C-os változása volt megfigyelhetı 1901 és 2009 között. Különbözı hosszúságú idısorok vizsgálata alapján megállapítható, hogy a melegedés mértéke térségünkben egyre intenzívebb. A hımérséklettel ellentétben a csapadék tendenciái nem egyértelmőek: a vizsgált idıszaktól, illetve évszaktól függıen a trendek ellenkezı elıjelőek is lehetnek, a kapott változásértékek pedig csak kevés esetben tekinthetık statisztikailag szignifikánsnak. Mivel a Kárpát-medence az óceáni, a kontinentális, valamint a mediterrán éghajlati régiók határán helyezkedik el, kiemelt jelentıségő az éghajlat változásának vizsgálata. Ugyanis már kismértékő változás is azt eredményezheti, hogy az éghajlati övek eltolódásával országunk a három hatás valamelyikének uralma alá kerül. Ugyan globális éghajlati modellekkel az egész Földre vonatkozóan adhatunk éghajlati becsléseket, ezek nem alkalmasak a kisebb tájegységekre várható regionális változások leírására, azok számszerősítésére más módszerek felhasználása is szükséges. Doktori kutatásom célkitőzése a Kárpát-medence (azon belül pedig elsıdlegesen Magyarország) térségére a PRECIS finom felbontású regionális klímamodell felhasználásával éghajlati szcenáriók elıállítása és azok elemzése. A modell validációjához és érzékenységvizsgálatához három, az 1961 1990 idıszakot lefedı szimulációt készítettünk el, a jövıbeli változások és azok bizonytalanságának számszerősítését pedig az A2, A1B és B2 emissziós forgatókönyvek figyelembevételével végzett futtatások elemzésével hajtottuk végre. Eredményeink alapvetı segítséget nyújtanak az éghajlatváltozáshoz való alkalmazkodás és felkészülés stratégiájának kidolgozásában. 3
ALKALMAZOTT MÓDSZEREK A vizsgálatok során a PRECIS dinamikai alapú regionális klímamodellel 25 km-es horizontális felbontású éghajlati szimulációkat állítottunk elı, majd azok statisztikai elemzését végeztük el. Az értékelést több emissziós forgatókönyv figyelembevételével, ún. ensemble technikával készítettük, mely nemzetközileg elfogadott, hazai kutatásokban újszerő. A négy, Magyarországon adaptált klímamodell szimulációit ugyanis közös értékelésnek vetettük alá, azonban a másik három modellel csak az A1B szcenárióval készültek projekciók. Annak számszerősítésére, hogy a meghajtó globális modellhez képest a PRECIS regionális modellel kapott részletesebb információk mennyiben a finomabb felbontás, és mennyiben a fizikai folyamatok pontosabb leírásának eredménye, kiszámítottuk a modellek ún. hozzáadott érték indexét. Azt tapasztaltuk, hogy a regionális modell elsısorban a csapadék alakulásában fejt ki jelentısebb módosító hatást, és ezáltal nagymértékben javítja a globális modellel kapott eredményeket. Mivel a modell a napi hımérsékletet nem szimulálta kellı pontossággal a teljes spektrumon noha az átlag hibája elfogadhatónak bizonyult, ezen változó esetén egy korrekciós eljárás került alkalmazásra. A módszer a meteorológiai változók havi percentilis értékeinek kiszámításán, és a modellezett eloszlásnak a megfigyelt eloszláshoz való illesztésén alapul. A korrekció alkalmazása az átlagos változások értékében nem okozott nagyobb eltérést, jelentısége az éghajlati indexek esetében van. A modell validációját és a várható változások értékeit a Kárpát-medencét magában foglaló térképeken szemléltettük, így láthatóvá téve az egyes régiók közti különbségeket. Ezen kívül a magyarországi rácspontok értékeibıl képzett átlagokat táblázatos formában és grafikonokon is bemutattuk. Az éghajlati indexek változásának elemzését is elvégeztük, melyek ismerete az idıjárási szélsıségek magas gazdasági és társadalmi kockázati forrása miatt az adaptáció szempontjából még az átlagértékek változásánál is fontosabb. 4
EREDMÉNYEK, KÖVETKEZTETÉSEK A Kárpát-medence térségére a PRECIS regionális klímamodell felhasználásával 25 km-es horizontális felbontású éghajlati szimulációkat állítottunk elı. Az elvégzett vizsgálatok legfontosabb eredményeit az alábbiakban foglaljuk össze: (1) A hozzáadott érték index (Added Value Index, AVI) kiszámításával megmutattuk, hogy a PRECIS regionális modell az azt meghajtó globális modellhez képest hasznos többletinformációval szolgál a fizikai folyamatok részletesebb leírása révén, elsısorban a csapadék esetén, így alkalmazása indokolt térségünkben. (2) Az 1961 1990 idıszakra elvégeztük a modell validációját. A három elkészült futtatás közül az ERA-40 reanalízis adatbázissal meghajtott szimuláció esetén figyelhetı meg legnagyobb egyezés a mérésekkel, mely arra enged következtetni, hogy a modell pontos bemeneti adatok megadása esetén képes az éghajlat valósághő leírására. (3) Az átlagos évszakos hibák az E-OBS adatbázishoz képest többnyire ±1 C, illetve ±10 mm/hónap alatt maradnak mindhárom múltbeli futtatás esetén. Ennél jelentısebb felülbecslést a nyári hımérséklet (2 3 C) és a tavaszi csapadék (18 21 mm/hónap) esetén tapasztaltunk. A hibák nagyságrendileg megegyeznek az ALADIN, a RegCM és a REMO modellek hibáival, tehát a PRECIS modell alkalmazható hazánk éghajlatának vizsgálatára. (4) Noha az átlagos értékeket megközelítıleg helyesen szimulálja a modell, a napi hımérsékletre vonatkozó nyers adatok eloszlása jelentısen eltér a mérések alapján származtatott eloszlástól. Ahhoz, hogy az éghajlati indexeket elemezhessük, hibakorrekciós eljárás alkalmazása szükséges. E célból a havi percentilisek illesztésén alapuló módszert alkalmaztunk. A korrigált adatokból a szélsıségek elemzése pontosabban elvégezhetı. A módszer befolyása az átlagos változásokra kicsi, jellemzıen 0,1 C alatti. (5) Az antropogén eredető bizonytalanságokat három kibocsátási forgatókönyv (A2, A1B, B2) alkalmazásával számszerősítettük az évszázad végére. Mivel a forgatókönyv megválasztása elsısorban évszázados skálán fejti ki hatását, a közelebbi jövıre csak az A1B emissziós szcenáriót alkalmaztuk. 5
(6) A szimulációk az átlaghımérséklet egyértelmő emelkedését vetítik elıre a XXI. századra a Kárpát-medence térségére évi, évszakos és havi szinten egyaránt. A várható változás minden évszakban és idıszakban 95%-os szinten statisztikailag szignifikáns. A melegedés közel egyenletes az ország egész területén. (7) A különbözı emissziós forgatókönyvek közötti változékonyság kb. 1 C, kivéve nyáron, ekkor ennek kétszerese. Minél magasabb a szcenárióban 2100-ra megjelenı CO 2 - koncentráció, annál nagyobb hımérsékletemelkedést valószínősít a becslés. (8) A hımérsékleti sőrőségfüggvények eltolódása, alakjuk megváltozása várható a XXI. században. A modellszimulációk a pozitív hımérsékleti indexek által reprezentált események gyakoribbá válását és a negatív indexek elıfordulásának csökkenését valószínősítik, melyek a gazdasági/társadalmi partnerek részérıl komoly felkészülést igényelnek. (9) A csapadék mennyiségének várható megváltozása a hımérsékleténél jóval nagyobb bizonytalansággal jellemezhetı. (10) A csapadékmennyiség valószínősíthetı változása és az alkalmazott forgatókönyvek között a hımérsékletnél kapott eredményekkel ellentétben nincs szoros összefüggés. (11) A modellszimulációk a csapadék éven belüli eloszlásának módosulását prognosztizálják: nyáron a csapadék várhatóan csökkenni, télen valószínőleg kismértékben növekedni fog. (12) Elvégzett vizsgálataink mind alátámasztják a nyárra várható szárazodást. Mivel a jövıben éves szinten kevesebb csapadékos napra számíthatunk és a leghosszabb csapadékmentes idıszak (CDD) is hosszabbodni fog, így az aszályhajlam megerısödésére, szárazodásra kell számítanunk, amely mezıgazdasági szempontból igen kedvezıtlen. (13) A nagy csapadékkal együtt járó idıjárási helyzetek nyári csökkenése egyértelmő mindhárom forgatókönyv alapján. A modell futtatásakor elıállt, meteorológiai változókat tartalmazó adatbázis, illetve vizsgálatunk során kapott eredményeink fontos alapul szolgálhatnak további hatástanulmányokhoz az éghajlatváltozásra való felkészülés területén. 6
AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓK Pongrácz R., Bartholy J., Pieczka I., Hunyady A. (2008): Regionális éghajlati modellek és modelleredmények. In: A meteorológia és az alaptudományok. Meteorológus TDK Iskola. (szerk.: Weidinger T. et al.), Egyetemi Meteorológiai Füzetek, 22, pp. 66 74. Bartholy J., Pongrácz R., Pieczka I., Kardos P., Hunyady A. (2009): Analysis of expected climate change in the Carpathian Basin using a dynamical climate model. In: Numerical Analysis and Its Applications (eds: Margenov, S. et al.). Lecture Notes in Computer Science 5434. Springer, Berlin Heidelberg NewYork. pp. 176 183. Bartholy J., Pongrácz R., Torma Cs., Pieczka I., Hunyady A. (2009): Regional climate model experiments for the Carpathian basin. 89th AMS Annual Meeting. http://ams.confex.com/ams/pdfpapers/147084.pdf. Phoenix, AZ. Paper 13A.03, 5p. Bartholy J., Pongrácz R., Torma Cs., Pieczka I., Kardos P., Hunyady A. (2009): Analysis of regional climate change modelling experiments for the Carpathian basin. International Journal of Global Warming, 1, pp. 238 252. Bartholy J., Pongrácz R., Csima G., Horányi A., Pieczka I., Szabó P., Szépszó G., Torma Cs. (2010): Éghajlati forgatókönyvek. In: Köztestületi Stratégiai Programok. Környezeti jövıkép környezet- és klímabiztonság. (szerk.: Bozó L.) MTA, Budapest. pp. 10 15. Bartholy J., Pongrácz R., Pieczka I. (2010): Evaluation of simulated climate trends of the Carpathian Basin using PRECIS outputs for 2071 2100. 90th AMS Annual Meeting. http://ams.confex.com/ams/pdfpapers/158376.pdf. Atlanta, GA. Paper P1.26, 7p. Bartholy J., Pongrácz R., Pieczka I., Torma Cs. (2010): Éghajlati modellezés különbözı tér- és idıskálán. In: Hallgatók részvétele a kutatásban: Aktuális kutatási témák meteorológus hallgatók számára. A Meteorológus TDK 2010. évi Nyári Iskola elıadásainak összefoglalói. (szerk.: Mészáros R., Komjáthy E.). Egyetemi Meteorológiai Füzetek, 23, pp. 27 34. 7
Pieczka I., Bartholy J., Pongrácz R., Hunyady A. (2010): Climate change scenarios for Hungary based on numerical simulations with a dynamical climate model. In: Proceedings of LSSC 2009, (eds: Lirkov, I. et al.). Lecture Notes in Computer Science 5910. Springer, Berlin Heidelberg NewYork. pp. 613 620. Bartholy J., Horányi A., Krüzselyi I., Pieczka I., Pongrácz R., Szabó P., Szépszó G., Torma Cs. (2011): A várható éghajlatváltozás dinamikus modelleredmények alapján. In: KLÍMAVÁLTOZÁS 2011. Klímaszcenáriók a Kárpát-medence térségére (szerk.: Bartholy J. et al.), MTA-ELTE, pp. 170 234. Bartholy J., Pongrácz R., Pieczka I., Hollósi B., Törék O. (2011): Simulated trend of wet and dry climatic conditions in Central/Eastern Europe using PRECIS outputs. 91st AMS Annual Meeting. http://ams.confex.com/ams/91annual/webprogram/manuscript/ Paper185837/BJ-etal-162.pdf Seattle, WA. Paper 162, 7p. Bartholy J., Pongrácz R., Pieczka I., Torma Cs. (2011): Dynamical downscaling of projected 21st century climate for the Carpathian Basin. In: Climate Change Research and technology for Adaptation and Mitigation. (eds: Blanco, J., Kheradmand, H.) InTech, Rijeka, Slovenia. pp. 3 22. (chapter 1) Horányi A., Bartholy J., Krüzselyi I., Pieczka I., Pongrácz R., Szabó P., Szépszó G., Torma Cs. (2011): A hazai regionális klímamodellek eredményeinek együttes kiértékelése. In: 36. Meteorológiai Tudományos Napok - Változó éghajlat és következményei a Kárpát-medencében. (szerk.: Lakatos M.) Országos Meteorológiai Szolgálat, Budapest. http://www.met.hu/pages/seminars/metnap36/metnapok2010.pdf pp. 113 128. Krüzselyi I., Bartholy J., Horányi A., Pieczka I., Pongrácz R., Szabó P., Szépszó G., Torma Cs. (2011): The future climate characteristics of the Carpathian Basin based on a regional climate model mini-ensemble. Advances in Science and Research, 6, pp. 69 73. Pieczka I., Pongrácz R., Bartholy J. (2011): Expected trends of regional climate change for the Carpathian Basin for the 21st century. Int. J. of Environment and Pollution, 46, pp. 6 17. 8
Pieczka I., Pongrácz R., Bartholy J. (2011): Comparison of Simulated Trends of Regional Climate Change in the Carpathian Basin for the 21st Century Using Three Different Emission Scenarios. Acta Silvatica et Lignaria Hungarica, 7, pp. 9 22. Pongrácz R., Bartholy J., Bartha B.E., Törék O., Pieczka I., Torma Cs. (2011): Projected changes of regional heat waves in Central/Eastern Europe using climate model simulations. 91st AMS Annual Meeting. http://ams.confex.com/ams/91annual/ webprogram/manuscript/paper185816/pr-etal-161.pdf Seattle, WA. Paper 161, 7p. Pongrácz R., Bartholy J., Pieczka I., Torma Cs. (2011): Az ELTE regionális klímamodelljei: PRECIS és RegCM. In: 36. Meteorológiai Tudományos Napok - Változó éghajlat és következményei a Kárpát-medencében. (szerk.: Lakatos M.) OMSZ, http://www.met.hu/pages/seminars/metnap36/metnapok2010.pdf Budapest, pp. 102 112. 9