1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés

Éghajlati modellezés 1. rész: A globális éghajlati rendszer és modellezése Szépszó Gabriella [email protected]

TARTALOM 1. 2. 3. 4. 5.

Az éghajlati rendszer Éghajlati modellezés Óceáni modellek, csatolás Globális projekciók készítése Kitekintés

Az éghajlati rendszer elemei

TARTALOM 1. 2. 3. 4. 5.


légkör

bioszféra szárazföldek vízburok

tengeri jég, jégtakarók, gleccserek

Forrás: Götz G., 2004

Éghajlati rendszer: a légkör és a vele érintkezésben levı négy http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 4 geoszféra kölcsönhatásban álló együttese

2010. április 15.

Légkör

A légkör vertikális szerkezete

• Az éghajlati rendszer központi, leginkább instabilis és legnagyobb változékonyságú komponense – – – –

Sugárzás Állandó összetevık elnyelése, Üvegházhatású gázok (errıl késıbb) szórása, Szilárd és cseppfolyós részecskék (aeroszolok) visszaverése Felhık Argon: ~1 %

Összetevı

Koncentráció [%] Tartózkodás

CO2 Metán Ózon CFC-k Vízgız

0,038 0,00017 0,000004 0,00000002 Változó

2010. április 15.

20-150 év 4-5 év 2 év 100-1000 év 10 nap

Termoszféra Mezoszféra Sztratoszféra

Oxigén ~21 %

Troposzféra

Nitrogén ~78 %

http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/

5

2010. április 15.

A légköri cirkuláció Le ára m


6

Hidroszféra • A Földfelszín 71 %-a: a felszíni és a felszín alatti vizek összessége

lás

• Nagy hıkapacitás – meridionális hıátvitel felét bonyolítja Poláris jet

• A légkörinél jóval lassabb, 3D áramlási rendszer: Feláramlás Szubtrópusi jet

• Felszíni áramlatok: szél hajtotta rendszer • Sőrőségkülönbség által mozgatott mélységi áramlatok: hımérséklet- és sótartalom-különbségek – termohalin cirkuláció • Nagy tehetetlenség – hosszú igazodási idık (10-1000 év) • Szén-dioxid elnyelı képesség

2010. április 15.


7

2010. április 15.


8

A felszíni tengeráramlatok fizikája

Felszíni tengeráramlatok vázlata

• Egyensúlyi áramlások: a hajtóerı és az eltérítıerı egyensúlya – geosztrofikus áramlások 1

ρv

Intenzív áramlás egy keskeny csatornában

r r grad h p = −2Ω × vh

• Szél az óceán fölött – nyíróerı – a felszíni víz mozgásba jön – az áramló víz sebessége kb. a szélsebesség 3 százaléka • Földforgás eltérítı ereje – szögeltérés a felszínen 10-15 (45?) fok, a mélységgel növekszik (Ekmanspirál) • Ekman-sodrás: merıleges a szél irányára 2010. április 15.

1: szél 2: felszíni kényszer 4: Coriolis hatás 3: eredı erı


9

A tengeráramlatok tényleges rendszere

2010. április 15.


10

A Golf-áramlatról leszakadó örvények

d bra La

G

ol

f

or

Hiányoznak körök

2010. április 15.


11

2010. április 15.


12

Termohalin cirkuláció: sótartalom + hımérséklet eltéréseibıl adódó sőrőségkülönbségek

A hımérséklet vertikális profilja különbözı szélességeken

Emlékeztetı: • Nagyobb sótartalom – nagyobb sőrőség • Alacsonyabb hımérséklet – http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ nagyobb sőrőség

2010. április 15.

13

2010. április 15.


14

A keveredési réteg és a termoklin zóna vastagsága

Sós ujjak

Forrás: ELTE, Kármán labor

Kezdetben: felül melegebb víz

Párolgás → növekvı sótartalom → sós víz leáramlása Eltőnik

Legnagyobb sőrőség a keveredési réteg alján 2010. április 15.


15

2010. április 15.


16

Egy óceáni medence sematikus három-dimenziós áramlási rendszere

Az atlanti óceán mélységi áramlatainak sematikus metszete Átkeveredés: • pólusok között: ~400 év • medencék között: x1000 év

Felszíni vizek Középvizek Észak-atlanti mélyvíz Antarktikus fenékvíz

2010. április 15.


17

2010. április 15.


Óceáni szállítószalag

18

Krioszféra • Grönlandi, antarktiszi jégmezık, gleccserek, felszíni hó, tengerjég • Termikus tehetetlenség, alacsony hıvezetı képesség • A beérkezı Napsugárzás nagyarányú visszaverése („tükör” – albedo) • Mélytengeri cirkuláció kormányzása

2010. április 15.


19

2010. április 15.


20

A tengerjég kiterjedésének változása

Kontinentális felszín

• Érdesség – dinamikai hatás • Aeroszolok forrása • Vegetáció és talajfelszín hatása: Északi sark, szeptember és március, 1980–2002 átlag

• Rövidhullámú Napsugárzás visszaverése

Antarktisz, 1995. március és szeptember

• Infravörös sugárzás a légkörbe

2010. április 15.


21

2010. április 15.


22

Alapfogalmak

Bioszféra Idıjárás: • Az élet színtere a Földön: összes élılényközösség (növények + állatok + emberek) a kölcsönhatásaikkal együtt

• A légkör egy adott idıponthoz tartozó pillanatnyi állapota • Jellemzése: pillanatnyi értékekkel

• Gyakorlatban: növénypopuláció (tengeri és szárazföldi)

Éghajlat (klíma): • Az éghajlati rendszer (ami már nemcsak a légkör) hosszú idı folyamán tanúsított szokásos viselkedése

• Befolyásolja az üvegházgázok biokémiai forgalmát – elsısorban a légkör és az óceán szén-dioxid forgalmát

• Jellemzése: statisztikai paraméterekkel 2010. április 15.


23

2010. április 15.


24

Melyek az üvegházgázok és mi az üvegházhatás?

A legfontosabb éghajlat-alakító tényezı

A Napsugá Napsugárzá rzás egy része el sem éri a felszí felszínt, visszaverı visszaverıdik

A Nap sugárzása (egyenlıtlen földrajzi eloszlás)

Sugárzás-átvitel Korlátos: a Földön nincs sem nyelı, sem forrás

A sugá sugárzá rzás által felmelegí felmelegített felszí felszín energiá energiát sugá sugároz a vilá világőr felé felé Az üveghá vegházgá zgázok a kisugá kisugárzott energia egy ré részé szét visszatartjá visszatartják, ezzel melegí melegítve a lé légkö gkört

A lé légkö gkörön áthaladó thaladó Napsugá Napsugárzá rzás

CO2, CH4, ózon, H2O

Hı – infravörös sugárzás az őrbe Hıegyensúly = hıbevétel – hıleadás (=0) 2010. április 15.


25

Természetes üvegházhatás: ha nem lenne, mintegy 35 fokkal lenne 2010. április 15. http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/ 26 alacsonyabb a földi átlaghımérséklet (most ~15 oC).

Az éghajlati rendszer évi átlagos globális energia-egyensúlya

A CO2 koncentrációjának alakulása

Teljes visszavert napsugárzás 107 Wm-2

Beérkezı napsugárzás 342 Wm-2

Légköri gázok, felhık, aeroszolok által visszavert 77

Légköri emisszió

Kimenı hosszúhull. sugárzás 235 Wm-2

Légköri ablak Felhızeti emisszió Légköri elnyelés

Üvegházgázok

Látens 78 hı Felszín által visszavert 30

Visszasugárzás

Felszín által elnyelt

2010. április 15.


27

2010. április 15.

Felszíni visszasug. Termális EvapoFelszíni elnyelés transpiráció


28

A sugárzási egyenleg megváltozása

• Külsı kényszerek: – Természetes: pl. a Napsugárzás intenzitásának, a Föld pályájának változása, vulkánkitörés – Antropogén: ipari tevékenység

• Éghajlatalakító tényezık és ezekhez való igazodás: – Napsugárzás intenzitásának módosulása – Sugárzás-átvitel feltételeinek módosulása – Felszínközeli energiabevétel módosulása

• Belsı éghajlatalakító mechanizmus – az éghajlati rendszer mindig egyensúlyra törekszik

• Hıegyenleg megváltozása → sugárzási kényszer (a tropopauzára vonatkoztatva számszerősítik)

2010. április 15.

• Kényszerhez történı igazodás – eltérı alkalmazkodási idık


29

2010. április 15.

Növekvı CO2

• Hımérséklet – jég–albedó visszacsatolás:

– Öngerjesztı – pozitív – Csillapító – negatív

Felszíni hımérséklet növekedése → jégtakaró csökkenése → sugárzás-visszaverıdés csökkenése

+ Emelkedı hımérséklet

• Visszacsatolások: Pozitív visszahatás

• Felhızet – sugárzás visszacsatolás:

– Változó X

2010. április 15.


30

Visszacsatolások

Az összetevık közötti kölcsönhatások

• Az összetevık közötti kölcsönhatások a klímaállapot természetes változékonyságát idézik elı


31

2010. április 15.

Felhık: a bennük lévı vízgız üvegházhatású (melegít), ugyanakkor a fehér felület sok Napsugárzást visszaver (hőt) → összességében inkább hőtenek, mint főtenek


32

Éghajlati modellezés

TARTALOM 1. 2. 3. 4. 5.

• Az éghajlati rendszer, illetve a rendszer összetevıinek tanulmányozására, s az összetevık közötti kölcsönhatások elemzésére


• Egyetlen válaszadási lehetıség a kérdésre: miként reagál az éghajlat egy feltételezett (hipotetikus) kényszerre? • Fizikai törvények minden összetevı és kölcsönhatás esetében • Matematikai egyenletrendszer: nemlineáris parciális differenciálegyenlet-rendszer + kezdeti és peremfeltételek – numerikus megoldás 2010. április 15.

Sajátosságok


34

A globális éghajlati modellek összetevıi

• A kezdeti feltételek hamar elveszítik hatásukat és a külsı kényszerek kormányozzák a rendszert

Óceáni modell: tengeráramlatok, tengerjég

Felszíni modell: talaj leírása

• Az éghajlati modellek nem a HTER egyszerő kiterjesztései a hosszabb idıtávok irányába • Hanem: átalakítás kényszerített-disszipatív rendszerekké – megmaradási törvények teljesülése

Légköri modell

• Fizikai parametrizációs eljárások fontossága: sugárzás, planetáris határréteg, felszíni folyamatok, nagyskálájú csapadék, konvekció (általában hidrosztatikus modellekrıl van szó)

Levegıkémia: aeroszolok, CO2 körforgalom

Élıvilág

• Kapcsolt modellrendszerek – csatolás jelentısége 2010. április 15.


35

2010. április 15.


36

Az óceáni modellek típusai

TARTALOM 1. 2. 3. 4. 5.

1. „Swamp” óceán: a tengerfelszín-hımérséklet (SST) a felszíni energia-egyensúly alapján számolódik, nincs hıtárolás és óceáni áramlatok;


2. „Slab” óceán: az SST a felszíni energia-egyensúlyból és egy egyszerő keveredési réteg hıtárolása alapján számítódik – továbbra sincsenek tengeráramlatok; 3. Óceáni általános cirkulációs modellek: az SST kiszámításánál a fentieken túl figyelembe veszik az áramlatok és feláramlások hatását Az elsı két leírásmód nem dinamikai alapon történik. 2010. április 15.


38

1. Nedves felület – „swamp” óceán • Mivel nincs hıtárolás, ezért csak éves átlagos sugárzási kényszert képes figyelembe venni a modell – nincs évszakos menet

• Az óceán egyszerő nedves felületként viselkedik ebben a leírásmódban • A hıt nem tárolja, és a (felszíni és mélységi) óceáni áramlások sem befolyásolják az SST-t

AGCM nununununununununununu SST: felszíni energia-egyensúly

• A tengerfelszín-hımérséklet számítása:

• A légköri komponenshez csatolva jól vizsgálható vele például, mennyire érzékeny az éghajlati rendszer egy külsı kényszerre – mint a megváltozó Napállandó vagy a növekvı szén-dioxid kibocsátás

S + F↓ – F↑ – H – LE = 0 ahol S az elnyelt Napsugárzás, F↓ a lefelé irányuló IRsugárzás, F↑ a felfelé irányuló IR-sugárzás, H a szenzibilis hı, LE a párolgás látens hıje 2010. április 15.


• A légköri kényszerekre azonnal reagál a modell, ezért számítási szempontból olcsó: elegendı néhány évre futtatni

39

2010. április 15.


40

2. Keveredési réteggel bíró, „slab” óceán

• A tengerfelszín-hımérséklet számítása AGCM

• Az óceán 50-100 méteres vastagsággal rendelkezik

ununununununununununun SST: felszíni egyensúly + hıtárolás

• Lehetıvé teszi egy egyszerő évszakos hıkapacitás leírását a felsı óceáni rétegben • Vizsgálható vele az éghajlati rendszer évszakos érzékenysége • A modellrendszert egy egyensúly beálltáig futtatják (kb. 20 év) • A modellben nincsenek óceáni áramlások, azaz a horizontális hıtranszportot nem írja le – szisztematikus SST-hibák • Mellızi a vertikális áramlások leírását is 2010. április 15.


41

3. Dinamikus óceáni cirkulációs modellek • Az óceánt teljes mélységében tekinti

ρ ⋅ cp ⋅ h

∂T = S + F ↓ − F ↑ − H − LE ∂t

ahol T a tengerfelszín-hımérséklet, ρ a vízsőrőség, cp tengervíz fajlagos hıkapacitása, h a mélység • Számítási szempontból sokkal költségesebb az elızı modelltípusnál – mivel a hıtárolás miatt az óceán lassabban kerül egyensúlyba a légkörrel, viszont realisztikusabb viszonyokat ír le 2010. április 15.


42

• A teljes leírásmód felveti a spin-up (felpörgés) kérdését: a teljes óceáni tömeg igazodási ideje nagyon hosszú – milyen hosszú integrálási idı után éri el azt a pontot a modell, amelytıl érzékenységi kísérletek kezdhetık?

• Az elızıeken kívül tartalmazza: AGCM • az óceáni áramlások, • a mélybıl való feláramlások, ununununununununununun SST: felszíni egyensúly, • a szubgrid skálájú – hıtárolás, vertikális és horizontális advekció, diffúzió örvényes diffúziós – keveredési folyamatok leírását


• A számítási költséget fokozza a több egyenlet, a mélységi szintek megnövekedett száma, valamint a hosszú integrálási idı

• Kompromisszum: durva horizontális felbontás

• Új egyenletek bevezetésével leírja az óceáni áramlatok, a hımérséklet és a sótartalom változásait 2010. április 15.

• Néhányszáz évet igényelhet, míg a legalsó rétegek is egyensúlyba kerülnek a felsı réteggel vagy a légkörrel

43

2010. április 15.


44

A dinamikus óceáni modellek jellemzıi

Csatolási stratégiák

• Hidrosztatikus primitív egyenletek megoldása • Az egyes – légköri, óceáni és tengeri jég – modellkomponensek közötti kommunikáció megvalósításához az információ bizonyos idıközönként történı cseréjére van szükség

• Rácsponti modellek – eltolt Arakawa-rácsok használatával • Tipikus rácsfelbontás: 100-300 km

• Mivel a különbözı modellkomponensek fejlesztése általában elkülönítve történik, ezért fontos a kapcsolatot biztosító felület kialakítása

• Vertikális irányban felszínkövetı vagy izopiknikus koordináta rendszer • Felsı határfeltételek: momentum, látens és szenzibilis hı, csapadék

• Átadandó paraméterek „kompatibilitása”: közös mértékegység, rács, stb.

• Hasonló dinamika – nagyobb különbségek a fizikai parametrizációs eljárásokban: horizontális és vertikális diffúzió, keveredés 2010. április 15.


• Csatolási frekvencia és az idıbeli átlagolás megválasztása 45

2010. április 15.


A légköri komponens kommunikációja az óceánnal és a tengeri jéggel

A csatolás sematikus rajza

• T.f.h. egy modell-naponként történik a kommunikáció minden komponens között

Légköri modellkomponens

v

szél + édesvíz + lefolyás + hı

szél + édesvíz + lefolyás + hı

1-napos AGCM integrálás

SST és tengerjég eloszlás

Szél, P–E, nettó hıfluxus

Interpoláció, mértékegység-konverzió, idıbeli átlagolás, fluxus-korrekció

|

|

|

0 állandó légköri paraméterek

nunununununununununununununununununununun Óceáni modellkomponens http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/

47

SST + tengeri jég globális mezıje 2010. április 15.

állandó SST és jégborítottság |

1-napos OGCM integrálás

2010. április 15.

1-napos AGCM integrálás

állandó SST és jégborítottság |

Tengerjég modell

46

|

|

|

24h állandó légköri paraméterek 48h 1-napos OGCM integrálás

SST + tengeri jég globális mezıje http://nimbus.elte.hu/~numelo/mat/

48

• Az 1-napos légköri számítás során mindvégig a kapott SST- és jégborítottság értékekkel számolnak

A tengeri jég modell kommunikációja az óceánnal és a légköri komponenssel

• A számítás végén a légköri modellben az óceáni és jégmodellek által igényelt mezıket kiátlagolják idıben (1 napra) • Ezek a paraméterek: • Felszíni szélnyírás:

• Az SST, az áramlatok és a sótartalom igazodik a légkörtıl kapott kényszerekhez az óceáni modellben

τ x = CD ⋅ ρ1 ⋅V1 ⋅ u1 τ y = CD ⋅ ρ1 ⋅V1 ⋅ v1

ahol u és v a horizontális szélkomponensek a legalsó légköri szinten, V pedig az ezekbıl képzett sebesség, CD (empirikus) ellenállási együttható • Nettó édesvíz bevétel: Ffresh=P–E • (Lefolyás a szárazföldrıl) • Az óceán felé irányuló nettó hıfluxus: Hnet= S+F↓–F↑–H–LE 2010. április 15.


49

• A korai jégmodellek egyszerő termodinamikai modellek voltak: csak hımérsékleti információkat használtak fel – a vízét alulról és a levegıét felülrıl –, s ez alapján határozták meg az olvadást vagy fagyást minden rácspontra • A jég mozgását és sok fontos dinamikai folyamatot nem írtak le • Léteznek bonyolultabb jégmodellek is: figyelembe veszik a jég mozgását, a repedések hatását és egy egyszerő jégdinamikai leírást is tartalmaznak • Tehát a légköri komponens és az óceáni komponensek bemenı adatokat szolgáltatnak a jégmodell számára a hımérsékletre és az áramlásokra vonatkozóan, amely alapján a jégmodell egy új jég-eloszlást számít • Az adatok ugyanolyan egynapos ciklusokban és átlagolással kerülnek átadásra, mint a korábban ismertetett esetben 2010. április 15.


51

• A tengeri jég modellben hasonló adaptáció történik a légköri és az óceáni kényszerekhez • A tengeri jég folyamatait leíró modell általában igen egyszerő – pedig nagy jelentıséggel bír, ugyanis a jégképzıdés módosíthatja a klímaérzékenységet

2010. április 15.


TARTALOM 1. 2. 3. 4. 5.


50

Éghajlati projekciók készítése

A modellek alkalmazása

• Egyensúlyi módszer: egy feltételezett kényszer megváltoztatásával (pl. a légköri CO2 mennyiségének megduplázódása) integrálják a modellt egy új egyensúlyi állapot eléréséig

• A modellt elıször a múltra vonatkozóan teszteljük – eredményeit összehasonlítjuk a múltban összegyőjtött megfigyelésekkel • Elvárt pontosság: az éghajlat átlagos jellemzıinek visszatükrözése – egy éghajlati modell úgy is lehet „tökéletes”, hogy közben egyetlen idıjárási eseményt sem jelzett elıre

– A kontroll és kísérleti futtatás összevetése – Akár x1000 éves integrálás is szükséges lehet – A klímaváltozás idıbeli lefolyásáról nem ad információt

• A feltérképezett gyengeségek alapján a modellt fejlesztik • Tranziens módszer: a kényszerek (pl. CO2-koncentráció) változási forgatókönyvei alapján történı gerjesztés

• A kellıen pontos modellel a jövıre vonatkozó projekciókat készítenek – feltételes prognózisok: „hipotézisek” az antropogén tevékenység alakulására

– A klíma változásának idıfüggése a kontrollal való összehasonlítás révén 2010. április 15.


53

2010. április 15.

Forgatókönyvek az emberi tevékenység jövıbeli alakulására


54

Globális hımérsékletváltozás A globális modellek által jelzett globális hımérsékletváltozás

pesszimista forgatókönyv

Forrás: IPCC, 2001

optimista 2010. április 15.


55

2010. április 15.


Forrás: IPCC, 2001

56

Egyéb vizsgálatok: termohalin cirkuláció • Az óceáni cirkulációt az óceánban fellépı sőrőségkülönbségek kiegyenlítésére irányuló törekvés határozza meg

• Az üvegházgázok koncentrációjának növekedése → globális melegedés • Csökkenı meridionális hımérsékleti különbség a poláris és a trópusi területek között – gyengülı felszíni hıtranszport

• A sőrőségkülönbségeket a hımérsékleti és sótartalomeltérések okozzák – termohalin cirkuláció

• Módosuló párolgás-csapadék-lefolyás egyensúly • Melegebb klímaállapot → sarki jég olvadása → több édesvíz a poláris és szubpoláris tengerekbe → csökken a vízsüllyedés intenzitása

• Éghajlati rendszerünk Achilles-sarka (Broecker, 1997) 2010. április 15.

A változó felszíni kényszerek hatása a termohalin cirkulációra

• A termohalin cirkuláció gyengülése, leállása


57

2010. április 15.

Megfigyelések

• A kapcsolt modell szimulációk megmutatták, hogy a termohalin cirkulációnak nem egy egyensúlyi állapota létezik • Modellkísérletekkel vizsgálták a fokozódó üvegházgázkoncentráció hatását

• A grönlandi jégtömeg csökkenése • A szubpoláris tengerek Atlanti-óceánba táplálódó vizének sótartalma az elmúlt negyven évben redukálódott

Sótartalom

• A termohalin cirkuláció a „közelmúltban” is (~8500 évvel ezelıtt) leállt már


58

Modellkísérletek

• Az arktiszi tengeri jégmezı kiterjedésének zsugorodása, a nyári átlagos jégvastagság csökkenése, az egész éven át fennmaradó tengeri jégmezı területének csökkenése

2010. április 15.


59

• A modellek többségében a kényszer hatására gyengült a termohalin cirkuláció, kisebb részük viszont nem reagált rá 2010. április 15.

Atlanti-óceáni átkeveredés


60

A globális éghajlati modellek felbontás-változása

TARTALOM 1. 2. 3. 4. 5.

1990-es évek


Olaszország, Izland nem látható

Ma, 2010

Forrás: IPCC, AR4 2010. április 15.

Regionális sajátosságok


Irodalom

• Globális modellek: 250-100 km-es vízszintes és 1 km-es függıleges rácssőrőség – Magyarország fölé ebbıl néhány (2-10) pont esik

• Czelnai R., Götz G., Iványi Zs., 1998: Bevezetés a meteorológiába II. (A mozgó légkör és óceán) Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, pp. 210–244.

• A regionális klímaváltozás iránya ellentétes lehet a globális változásokéval

• Götz G., 2006: Az éghajlat dinamikájának néhány nyitott kérdésérıl (összefoglaló tanulmány). 31. Meteorológiai Tudományos Napok, beszámolókötet, pp. 10–61.

• A globális információ finomítása szükséges

• IPCC: Climate Change 2001: The Scientific Basic

A következı óra témája

2010. április 15.


62

• http://mathsci.ucd.ie/met/PHYC40050/

63

2010. április 15.


64

1. Az éghajlati rendszer 2. Éghajlati modellezés 3. Óceáni modellek, csatolás 4. Globális projekciók készítése 5. Kitekintés

Recommend Documents