9. MODELOVÁNÍ KLIMATU
Petr Kolář
Z0076 Meteorologie a klimatologie
25.11.2013 2
25.11.2013 3
25.11.2013 4
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
25.11.2013 5
25.11.2013 6
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
25.11.2013 7
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)
• 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 šířkového 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)
25.11.2013 8
25.11.2013 9
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)
25.11.2013 10
• 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
25.11.2013 11
Dvourozměrné klimatické modely (SDMs
– Statistical Dynamical Models)
• 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
• statistické vztahy
• spíše limitované pro budoucí projekce klimatu (špatné
zonální rozlišení – nahrazeny GCMs)
25.11.2013 12
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
25.11.2013 13
25.11.2013 14
25.11.2013 15
25.11.2013 16
• 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)
25.11.2013 17
• spojené modely atmosférické a oceánské cirkulace (AOGCMs)
VYUŽITÍ AOGCM
1, předpovědi klimatu na základě scénářů radiačního působení
(forcings) – antropogenní, přirozené (obr. vlevo dole)
2, simulace tzv. vnitřní variability klimatického systému v
sezónním/ročním časovém měřítku (kontrolní běhy – obr.
vpravo dole)
3, tvorba modelových analýz současného klimatu
4, modelové experimenty – např. odezva systému na změny v
krajině (urbanizace, dezertifikace, …)
25.11.2013 18
1880 18802000 2000
Modely zemského systému (ESMs –
Earth System Models)
• v současnosti
nejpropracovanější typ
modelů
• zahrnutí
biogeochemických
cyklů (N, C, S, O3)
• zpětné vazby, toky a
ukládání látek
(terestricko –
biosférické modely)
• značná výpočetní
náročnost
25.11.2013 19
• subsystém mořský led – sněhová pokrývka
• energetické toky s atmosférou i oceánem
• sezónní vs. víceletý let
• salinita je důležitým faktorem zámrzu hladiny
25.11.2013 20
Modelování kryosféry
Globální uhlíkový cyklus a jeho změny
(1750 vs. 2010)
25.11.2013 21
Modely zemského systému střední komplexity
(EMICs – Earth System Models of Intermediate
Complexity)
• obsahují podstatné části zemského systému, ale v nižším
rozlišení nebo se zjednodušenými procesy
• řešení specifických otázek (zpětné vazby, klimatická citlivost,
apod.) v měřítcích 1000 a více let
25.11.2013 22
Regionální klimatické modely (RCMs)
• omezené území (kontinenty či jejich části)
• dynamický downscaling globálního modelu
Průběh klimatického modelování
1) Inicializace modelu (nastavení počátečních podmínek)
2) Dynamické jádro modelu + parametrizace fyzikálních
procesů
3) Stanovení okrajových podmínek
4) Předpověď – výstup modelu
5) Verifikace
6) Post processing
7) Analýzy výstupů
8) Napojení na další modely (ESM)
25.11.2013 23
Komponenty klimatického modelu
• uhlíkový cyklus (CMIP5) – okyselení oceánů (pokles
kalcifikace)
• dusíkový cyklus
• aerosolové částice – cyklus síry a jejích sloučenin
• cyklus methanu, změny permafrostu
• dynamické vegetační modely (DGVMs)
• ekosystémové požáry
• změny LU/LC (land-use/land cover)
• interakce klima-chemické sloučeniny (halogenované
uhlovodíky, ozon)
• pevninské ledovce
25.11.2013 24
Výstupy klimatických modelů
• horizontální, vertikální rozlišení
• věrohodnost a spolehlivost modelů se hodnotí pomocí
tzv. „performance metric“
• ansámblové zpracování výstupů (více modelů)
• vizuální srovnání → ansámblové průměry
25.11.2013 25
Simulace1980-2005
25.11.2013 26
25.11.2013 27
25.11.2013 28
Kvantifikace výkonnosti modelů
25.11.2013 29
25.11.2013 30
Globální povrchová teplota - ESMs
25.11.2013 31
Globální povrchová teplota - EMICs
25.11.2013 32
1998 – 2013: Konec globálního oteplování?
25.11.2013 33
Odezva klimatického systému
• rovnovážné studie
• transientní (přechodové) studie
25.11.2013 34
25.11.2013 35
25.11.2013 36
25.11.2013 37
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
25.11.2013 38
• 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
25.11.2013 39
• citlivost modelu se
u rovnovážných a
transientních studií
výrazně liší, shoda
napříč modely
• silný vliv tzv.
klimatických
zpětných vazeb
4025.11.2013
25.11.2013 41
ZROJE
1) WARNER, T. W.: Numerical weather and climate prediction. Cambridge, UK:
Cambridge University Press, 2011. 526 p.
2) FLATO, G., MAROTZKE, J., ABIODUN, B. et al.: Evaluation of climate models.
In Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Working Group I
Contribution to the Intergovernmental Panel on Climate Change Fifth
Assesment Report (AR5), Final draft. Available online at:
http://www.climatechange2013.org/images/uploads/WGIAR5_WGI12Doc2b_FinalDr
aft_All.pdf
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) GONZALES-ROUCO, J. F.: Personal commentary, 2012.
25.11.2013 42