1 Methods in climatology I. Introduction, data sources Climate and climatology • Climate = weather statistics • Climatology data - „average“ of meteorological data • Methods in climatology – descriptive statistics Climate system • Dynamic equilibrium • Internal variability • Positive/negative feedbacks • Interactions on different time/space scales • Non-linear relationships – small changes may cause big consequences Contemporary climatology • High complexity • Stochastic nature of climate • Dealing with uncertainty • New data sources: o palaeoclimatology o satellite climatology o climate modelling Rozměr klimatického systému, časová a prostorová proměnlivost klimatu Složitost úplného klimatického systému i jeho subsystémů se odráží v značné časové a prostorové proměnlivosti hodnot meteorologických prvků a jejich klimatologických charakteristik • sekulární • interannuální • sezónní • interdiurní • jiná (geologických dob, ….i řád minut) Kategorie časové proměnlivosti klimatu Kategorie prostorové proměnlivosti klimatu • globální • regionální • topická až chorická • jiná V praktických aplikacích se zabýváme částmi úplného klimatického systému. Popisujeme ho typickými hodnotami meteorologických prvků resp. jejich klimatologických charakteristik (rozměr globální, regionální, mezo, topo, mikro, rozměr hraničních vrstev). Climatology data sources • Observations • stations (points) • fields (interpolated, remotely sensed) • meteorological variables • climate indices (e.g. NAO Index) • Proxy reconstructions (also spatial) • Reanalyses • Hindcasts • Model outputs (global, regional) 2 Climate Explorer https://climexp.knmi.nl/ Data sources – some examples Další zdroje dat European Climate Assessment & Dataset project http://www.ecad.eu/ (ECA&D) Další zdroje dat Climatic Research Unit (CRU) http://www.cru.uea.ac.uk/ Další zdroje dat IRI/LDEO Climate Data Library http://iridl.ldeo.columbia.edu/ Další zdroje dat BADC - The British Atmospheric Data Centre http://badc.nerc.ac.uk/home/index.html Další zdroje dat NOAA – National Centers for Environmental Information https://www.ncdc.noaa.gov/ 3 Další zdroje dat CMIP5 - Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/ Climate Explorer • rozhraní pro přístup k velkému množství dat • nástroj pro analýzu klimatických dat • možnost analýz vlastních datových souborů Climate Explorer Výběr řady průměrných měsíčních teplot vzduchu z Brna, Tuřan 1 2 3 4 5 Climate Explorer Climate Explorer Climate Explorer Existuje vztah mezi průměrnou zimní teplotou vzduchu v Brně, Tuřanech a NAO indexem? Nejprve ověříme normalitu rozdělní teplotní řady 4 Climate Explorer Existuje vztah mezi průměrnou zimní teplotou vzduchu v Brně, Tuřanech a NAO indexem? CHI2 test a Q-Q graf Climate Explorer Existuje vztah mezi průměrnou zimní teplotou vzduchu v Brně, Tuřanech a NAO indexem? Climate Explorer Existuje vztah mezi průměrnou zimní teplotou vzduchu v Brně, Tuřanech a NAO indexem? Climate Explorer Jaká je prostorová reprezentativnost brněnské teplotní řady? Climate Explorer Jaká je prostorová reprezentativnost brněnské teplotní řady? Climate Explorer • prostorová korelace - srážky • telekonekce 5 Climate Explorer Analýza polí meteorologických prvků / klimatologických charakteristik Climate Explorer Analýza polí meteorologických prvků / klimatologických charakteristik Hovmöller (time-space) diagram Climate Explorer – datové zdroje • Observations – stations, fields • data, indices • Proxy reconstructions • Reanalysis • Hindcasts • Model outputs – RCM – CMIP5 Climate Explorer – datové zdroje Data sources - reanalyses • Reanalysis is a scientific method for developing a comprehensive record of how weather and climate are changing over time. • Observations and a numerical model that simulates one or more aspects of the Earth system are combined objectively to generate a synthesized estimate of the state of the system. • Reanalyses are created via an unchanging ("frozen") data assimilation scheme and model(s) which ingest all available observations every 6-12 hours over the period being analyzed. • This unchanging framework provides a dynamically consistent estimate of the climate state at each time step. • A reanalysis typically extends over several decades or longer, and covers the entire globe from the Earth’s surface to well above the stratosphere. https://reanalyses.org/ • NCEP/NCAR Reanalysis • ECMWF re-analysis (ERA-40, ERA-Interim) https://reanalyses.org/atmosphere/comparison-table Data sources - hindcasts (backtesting) • testing a predictive model using existing historic data • a statistical calculation determining probable past conditions • hindcasting usually refers to a numerical model integration of a historical period where no observations have been assimilated. This distinguishes a hindcast run from a reanalysis. http://www.oceanweather.com/research/HindcastApproach.html 6 Data sources – Model simulations • CMIP5 – Coupled Model Intercomparison Project • RCM - ENSEMBLES Climate Change Atlas Climate Change Atlas Temperature Czech Rep. Jun-Aug AR5 CMIP5 subset. On the left, for each scenario one line per model is shown plus the multi-model mean, on the right percentiles of the whole dataset: the box extends from 25% to 75%, the whiskers from 5% to 95% and the horizontal line denotes the median (50%). Climate Change Atlas