9. KLIMATICKÉ MODELY
9.1 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)
• parametrizace - fyzikální proces je popsán nějakým zjednodušeným výpočetním
schématem s pomocí jednoduchých parametrů obsažených v rovnicích
• 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
• fyzika modelu:
a) stavová rovnice plynů
b) termodynamická rovnice (zákon zachování energie)
c) parametrizace vlhkostních procesů (např. výpar, kondenzace, tvorba a rozložení
oblaků)
d) parametrizace radiačních procesů (absorpce a emise různých druhů záření)
e) parametrizace konvektivních procesů
• 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
9.2 TYPY KLIMATICKÝCH MODELŮ
Klimatický model – simulace stavu, chování a vývoje úplného klimatického systému
• 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)
9.2.1 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
9.2.1.1 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 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)
9.2.1.2 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)
• 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
9.2.2 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)
9.2.3 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
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
• 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)
• 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)
9.3 POUŽITÍ GCMs K MODELOVÁNÍ ODEZVY NA RŮST KONCENTRACÍ CO2
• použití GCMs – zjištění odezvy klimatického systému na růst koncentrací skleníkových
plynů
• kontrolní klima: na základě počátečních a okrajových podmínek odpovídajících
současnému klimatu (tj. současné koncentrace CO2 nebo ekvivalentního CO2, tj.
koncentrace CO2 odpovídající radiačnímu působení všech skleníkových plynů
dohromady) se výpočet provádí pro několik modelových let až desetiletí, až se modelová
cirkulace dostane do kvazistacionárního stavu → z hodnot proměnných odpovídajících
tomuto rovnovážnému stavu se počítá „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
• 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