9. MODELOVÁNÍ KLIMATU •Petr Kolář •Z0076 Meteorologie a klimatologie AR4WG1_10 OBSAH PŘEDNÁŠKY •1, NUMERICKÝ MODEL ATMOSFÉRY • •2, TYPY KLIMATICKÝCH MODELŮ • •3, KLIMATICKÉ MODELOVÁNÍ – SOUČASNOST • •4, DOWNSCALING •29.11.2012 •Modelování klimatu •2 •29.11.2012 •Modelování klimatu •3 •29.11.2012 •Modelování klimatu •4 •29.11.2012 •Modelování klimatu •5 •fig 1.2 •29.11.2012 •Modelování klimatu •6 NUMERICKÝ MODEL ATMOSFÉRY •numerický model atmosféry – popis základních dynamických a fyzikálních vlastností různých složek atmosféry a jejich interakcí ve vhodné počítačové formě s nutnými přiblíženími (aproximacemi) •aproximace usnadňují numerický výpočet (nižší výpočetní náročnost) •příklady aprox.: hydrostatická, Boussinesqova, anelastická, „shallow-fluid“, atd. •parametrizace - fyzikální proces je popsán nějakým zjednodušeným výpočetním schématem s pomocí jednoduchých parametrů obsažených v rovnicích •malé měřítko procesů/výpočetní náročnost/neznalost analytického vyjádření •29.11.2012 •Modelování klimatu •7 •dynamické rovnice v modelu: –druhý Newtonův pohybový zákon (horizontální zrychlení určitého objemu vzduchu je ovlivněno horizontálním tlakovým gradientem, třením a uchylující sílou zemské rotace) – – – – – – – –hydrostatická rovnice (tlak v určitém bodě je dán hmotností atmosféry nad ním, vertikální zrychlení se neberou v úvahu) –rovnice kontinuity (zajišťuje zachování hmoty) – •29.11.2012 •Modelování klimatu •8 http://teachertech.rice.edu/Participants/louviere/Newton/law2.jpg •fyzika modelu: –a) stavová rovnice plynů –b) termodynamická rovnice (zákon zachování energie) –c) parametrizace vlhkostních procesů (např. výpar, kondenzace, - mikrofyzika oblak), fig 4.2 –d) parametrizace radiačních procesů (absorpce a emise různých druhů záření), fig 4.21 –e) parametrizace konvektivních procesů –f) parametrizace turbulence, mezní vrstva –g) parametrizace stochastických procesů –h) parametrizace oblačnosti, oblačného pokrytí • •29.11.2012 •Modelování klimatu •9 – •parametrizace výměny hybnosti, tepla a vodní páry na rozhraní atmosféry a vodních povrchů •rovnice v modelu jsou diferenciální, tj. popisují procesy, ve kterých se veličiny (např. tlak, teplota) mění s časem a místem •je-li známa velikost změny určité veličiny, lze počítat její velikost v následujícím časovém kroku – opakování tohoto postupu je integrace •integrace rovnic – vypočítávají se nové hodnoty všech nezbytných veličin pro následné časové kroky – to vyjadřuje předpovědní schopnost modelu • •29.11.2012 •Modelování klimatu •10 •Fig 3.2 •vstupní a okrajové podmínky inicializují numerické výpočty •Numerická kostra modelu: •1, model reprezentuje realitu pomocí gridu fig 3.13 •2, výpočetní metody (metoda konečných diferencí, spektrální metody, metody konečného objemu) •29.11.2012 •Modelování klimatu •11 TYPY KLIMATICKÝCH MODELŮ •hlavní komponenty, které je třeba brát v úvahu u klimatických modelů: –a) záření (pohlcování záření, vyzařování) –b) dynamika (horizontální přenos energie, vertikální pohyby – konvekce) –c) povrchové procesy (albedo, vyzařování, interakce povrch-atmosféra) –d) časové a prostorové rozlišení •typy modelů podle jejich komplexnosti: –a) jednorozměrné modely (záření nebo povrchové procesy) –b) dvourozměrné modely (povrchové procesy, dynamika) –c) trojrozměrné modely (záření, povrchové procesy, dynamika) •Klimatický model – simulace stavu, chování a vývoje úplného klimatického systému •29.11.2012 •Modelování klimatu •12 fig2_1_pozadi •29.11.2012 •Modelování klimatu •13 pyram.png Jednorozměrné (jednoduché) klimatické modely •uvažuje se několik základních procesů a zpětných vazeb, ve zvýšené míře parametrizace •přehlednost (studium vazeb mezi několika procesy), poměrně snadná interpretace výsledků •nižší požadavky na výpočetní čas •silně potlačena dynamika atmosférických a oceánských procesů •29.11.2012 •Modelování klimatu •14 Modely energetické bilance (EBMs - Energy Balance Models) •vyjadřují rovnováhu mezi příjmem a výdejem energie ve vertikálním sloupci atmosféry, omezeném horní hranicí atmosféry a aktivním povrchem • – QS (1 – αS) – IS = A – •QS – sluneční záření dopadající na horní hranici atmosféry •αS – albedo systému Země-atmosféra •IS – dlouhovlnné záření vydávané do meziplanetárního prostoru •A – zisk nebo ztráta tepla v důsledku atmosférické či oceánské cirkulace (včetně redistribuce tepla při fázových změnách vody) •29.11.2012 •Modelování klimatu •15 –postup výpočtu: rozdělení povrchu na zonální pásy šířky 10º → aplikace rovnice na vertikální sloupce nad těmito pásy (QS se počítá pomocí solární konstanty, ostatní členy rovnice se parametrizují podle teploty při zemi) –příklad parametrizace mezišířkového transportu energie A: – • A = k (T – Tg) • •T – teplota daného šířkového pásu •Tg – průměrná globální teplota •k – empirická konstanta • –role zpětné vazby mezi teplotou a albedem (rozsah sněhové a ledové pokrývky) •29.11.2012 •Modelování klimatu •16 E:\figures\col_jpgs_300dpi\300_CMP-Fig-3.1.jpg •29.11.2012 •Modelování klimatu •17 Radiačně-konvektivní modely (RCMs – Radiative-Convective Models) •atmosféra rozdělena do několika vrstev a pro každou z nich se počítá rovnovážná teplota z bilance krátkovlnných a dlouhovlnných toků za předpokladu radiační rovnováhy • •dobré výsledky pro vertikální rozdělení teploty ve stratosféře, ale teplotu v horní troposféře podhodnocuje a u zemského povrchu nadhodnocuje → modelový vertikální teplotní gradient je vyšší než suchoadiabatický (instabilní zvrstvení) • •29.11.2012 •Modelování klimatu •18 •29.11.2012 •Modelování klimatu •19 E:\figures\col_jpgs_300dpi\300_CMP-Fig-4.3.jpg •konvektivní přizpůsobení – přesáhne-li modelový teplotní gradient určitou hodnotu γd (zpravidla 0,65 ºC/100 m), teplota se při současném zachování energie přizpůsobí tak, aby gradient byl menší nebo roven γd •reakce klimatu na změny solární konstanty, změny ve složení atmosféry •29.11.2012 •Modelování klimatu •20 fig4_1_pozadi Dvourozměrné klimatické modely (SDMs – Statistical Dynamical Models) •výrazně komplikovanější modely než jednorozměrné •reprezentují buď dva horizontální nebo jeden vertikální a jeden horizontální rozměr (kombinace šířkové dimenze EBM a vertikální RCM) •realističtější parametrizace šířkového transportu energie •spíše limitované pro budoucí projekce klimatu (špatné zonální rozlišení – nahrazeny GCMs) •29.11.2012 •Modelování klimatu •21 Trojrozměrné klimatické modely (GCMs – General Circulation Models) •numerické modely, které explicitně simulují vývoj velkoplošných dějů v atmosféře a obsahují parametrizace důležitých dynamických a fyzikálních procesů malých měřítek •vycházejí z numerických modelů krátkodobé předpovědi počasí se zvláštním zřetelem na splnění zákonů zachování •29.11.2012 •Modelování klimatu •22 • základní rovnice: –a) první věta termodynamická (zachování energie): vstup energie = zvýšení vnitřní energie + vykonaná práce –b) druhý Newtonův pohybový zákon (zachování hybnosti): síla = hmotnost x zrychlení –c) rovnice kontinuity (zachování hmotnosti při proudění kapaliny): suma gradientů součinu hustoty a rychlosti větru ve třech ortogonálních směrech je nulová –d) stavová rovnice plynů (zákon ideálního plynu): tlak x objem = plynová konstanta x absolutní teplota fig6_1_pozadi •29.11.2012 •Modelování klimatu •23 •výpočet pro tzv. gridové body s různým krokem sítě a pro několik vrstev (hladin) v atmosféře •některé fyzikální procesy nejsou popsány uvedenými rovnicemi – měřítko těchto jevů je menší než krok sítě (např. konvektivní procesy, vznik srážek) → do modelů se vkládá pouze jejich výsledný účinek (parametrizace) •29.11.2012 •Modelování klimatu •24 E:\figures\col_jpgs_300dpi\300_CMP-Fig-2.3.jpg • •29.11.2012 •Modelování klimatu •25 • •29.11.2012 •Modelování klimatu •26 KLIMATICKÉ MODELOVÁNÍ -SOUČASNOST •v dnešní době jsou nejvíce rozvíjeny a vyvíjeny trojrozměrné klimatické modely (GCM) - AOGCM pro účely: • •1, předpovědi klimatu na základě scénářů radiačního působení (forcings) – antropogenní, přirozené •2, simulace tzv. vnitřní variability klimatického systému v sezónním/ročním časovém měřítku (kontrolní běhy) •3, tvorby modelových analýz současného klimatu •4, modelových experimentů – např. odezva systému na změny v krajině (urbanizace, dezertifikace, …) •29.11.2012 •Modelování klimatu •27 Modelovací centra •zpráva IPCC 2007 – ansámblové zpracování 23 AOGCM •Beijing Climate Center •Bjerknes Centre for Climate Research •National Center for Atmospheric Research •Canadian Centre for Climate Modelling and Analyses •Météo-France/Centre National de Recherches Météorologiques •Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation •Max Planck Institute for Meteorology •University of Bonn •… • •29.11.2012 •Modelování klimatu •28 •globální klimatické předpovědi nevystačí s pouhým převzetím numerických předpovědních modelů •jiná časová měřítka, specifické otázky k řešení: –HYDROSFÉRA (oceánská cirkulace) –KRYOSFÉRA (pozemní a mořský led) –LITOSFÉRA (zemský povrch) –BIOSFÉRA (vegetace, uhlíkový cyklus) – • vnitřní variabilita klimatického systému x externí vlivy (různá časová měřítka!!) – •29.11.2012 •Modelování klimatu •29 E:\figures\col_jpgs_300dpi\300_CMP-Fig-5.1.jpg •29.11.2012 •Modelování klimatu •30 KLIMATICKÁ CITLIVOST •použití GCMs – zjištění odezvy klimatického systému na růst koncentrací skleníkových plynů •kontrolní klima: na základě počátečních a okrajových podmínek odpovídajících současnému klimatu (tj. ekvivalentního CO2) se výpočet provádí pro několik modelových let až desetiletí, až se modelová cirkulace dostane do kvazistacionárního stavu → „kontrolní klima“, též 1xCO2 (mělo by co nejlépe odpovídat skutečnosti) •experimentální klima: výpočet se opakuje pro změněné vstupní hodnoty CO2 (např. 2xCO2) až se dosáhne rovnováhy modelové cirkulace → z odpovídajících hodnot proměnných se počítá „experimentální klima“, též 2xCO2 • •29.11.2012 •Modelování klimatu •31 •rozdíl obou simulovaných stavů klimatu (2xCO2 mínus 1xCO2) představuje modelovou odezvu klimatického systému na radiační poruchu způsobenou růstem CO2 v atmosféře •rovnovážné studie – předpokládá se skoková změna koncentrace GHG (neodpovídá realitě) •přechodové (transientní) studie – počítá se s kontinuálním nárůstem GHG, kdy modelové klima postupně prochází sérií rovnovážných stavů (menší realizovaná změna teploty oproti očekávané rovnovážné změně) •v závislosti na citlivosti modelu (tj. reakce modelu na zdvojnásobení CO2) dosahuje realizovaný vzestup teploty kolem 50 % rovnovážného vzestupu při citlivosti 4,5 ºC a kolem 80 % při citlivosti 1,5 ºC • •29.11.2012 •Modelování klimatu •32 • forcing_response1 •29.11.2012 •Modelování klimatu •33 forcing_response2 •29.11.2012 •Modelování klimatu •34 forcing_response2.eps •29.11.2012 •Modelování klimatu •35 forcing_response3 •citlivost modelu se u rovnovážných a transientních studií výrazně liší, shoda napříč modely • •silný vliv tzv. klimatických zpětných vazeb • •36 • •29.11.2012 •Modelování klimatu •37 •problém propojení GCM s oceánskou cirkulací: –a) „swamp“ modely (modely s bažinou) – oceán jako pevný zemský povrch s neomezenou zásobou vody pro výpar –b) zadání teploty povrchu oceánu z klimatických pozorování –c) modely se směšovací vrstvou – uvažuje se tepelná kapacita a procesy ve vrstvě 30-70 m –d) modely oceánské cirkulace (OGCMs) – reakce hlubinných oceánských vod (problém odlišného časového měřítka procesů) •spřažené modely atmosférické a oceánské cirkulace (AOGCMs) •29.11.2012 •Modelování klimatu •38 Modelování hydrosféry •29.11.2012 •Modelování klimatu •39 E:\figures\col_jpgs_300dpi\300_CMP-Fig-5.13r.jpg • ocn •29.11.2012 •Modelování klimatu •40 Modelování kryosféry • seaice_model_3d_c •29.11.2012 •Modelování klimatu •41 Modelování zemského povrchu (land – surface mod.) •terestricko-biosférické modely – zdroje a propady uhlíku •uhlíkový cyklus (zdroje v půdě, vegetaci), sezonalita •vývoj a zdravotní stav vegetace (DPZ monitoring) • •29.11.2012 •Modelování klimatu •42 LITERATURA 1)WARNER, T. W.: Numerical weather and climate prediction. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011. 526 p. 2)RANDALL, D. A., WOOD, R. A., BONY, S. et al.: Climate models and their evaluation. In Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assesment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, eds. SOLOMON, S., QIN, D., MANNING, M., et al. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press, 2007. 589–662. 3)MCGUFFIE, K.: A climate modelling primer. West Sussex, UK: Wiley, 2011. 280 p. 4)NEELIN, D.: Climate change and climate modeling. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011. 282 p. 5) • •29.11.2012 •Modelování klimatu •43