Διαμορφώνοντας ένα κλιματικό μοντέλο

Transcript

1 Διαμορφώνοντας ένα κλιματικό μοντέλο

2 2

3

4 4

5

6

7

8

9 9

10

11

12

13

14

15 Εξαιτίας της εσωτερικής μεταβλητότητας και της μη γραμμικότητας του κλιματικού συστήματος καθώς και της περιορισμένης γνώσης των εξωτερικών παραγόντων επίδρασης στο κλίμα κατά το μέλλον, μία αριθμητική προσομοίωση της κλιματικής αλλαγής αποτελεί μία εκτίμηση με δεδομένη πιθανότητα να συμβεί ανάμεσα σε πολλές άλλες πιθανές μελλοντικές εκτιμήσεις. Ο στόχος των μελλοντικών κλιματικών προσομοιώσεων δεν είναι η ακριβής πρόγνωση του κλίματος, αλλά η ανάλυση ευαισθησίας του κλίματος για δεδομένα σενάρια ανάπτυξης και η δημιουργία κατανομής συχνότητας πιθανών κλιμάτων (PDF).

16 Ο τρόπος με τον οποίο ανταποκρίνονται τα κλιματικά μοντέλα σε εξωτερικό εξαναγκασμό (external forcing) π.χ. αύξηση του θερμοκηπικού αερίου CO2, χαρακτηρίζεται από δύο παραμέτρους: 1/Την κλιματική ευαισθησία ισορροπίας (equilibrium climate sensitivity - ECS) Πόσο αλλάζει η θερμοκρασία επιφανείας αφού διπλασιάσουμε την συγκέντρωση ατμοσφαιρικού CO2 και το σύστημα φτάσει σε κατάσταση ισορροπίας; Είναι ένα μέτρο για την εκτίμηση των κλιματικών αναδράσεων (climate feedbacks) του κλιματικού μοντέλου. 2/ Την παροδική κλιματική απόκριση (transient climate response -ΤCR) Πόσο αλλάζει η μέση θερμοκρασία επιφανείας σε μία περίοδο 20 ετών τη στιγμή που το CO2 θα έχει διπλασιαστεί ;. Η εκτίμηση του δείκτη ECS σε ένα κλιματικό μοντέλο απαιτεί μακροχρόνια προσομοίωση κάτι το οποίο δεν απαιτείται για το δείκτη TCR. Ο δείκτης ΤCR είναι μικρότερος από το δείκτη ECS εξαιτίας της αδράνειας των ωκεανών στην πρόσληψη θερμότητας. Είναι ένα μέτρο της ταχύτητας και της έντασης απόκρισης σε εξωτερικό εξαναγκασμό.

17

18 Εάν υπάρξει διαταραχή τότε ΔFnet. Για να επανέλθει η ισορροπία τότε πρέπει να υπάρξει αλλαγή στην ενεργό θερμοκρασία του πλανήτη έτσι ώστε: ΔΤe = λ Δfnet το λ είναι ο παράγοντας ευαισθησίας κλίματος (climate sensitivity factor) περίπου 0.3 Κ (Wm -2 ) - 1

19 Διπλασιασμός του CO2 εκτιμάται ότι οδηγεί σε ΔFnet = 4.6 W m-2 Σύμφωνα με τη σχέση ΔΤe = λ ΔFnet αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση της ενεργού θερμοκρασίας ΔTe = 1.4 K. Η μεταβολή της θερμοκρασίας είναι μικρότερη από αυτή που προβλέπεται από τα κλιματικά μοντέλα, τα οποία περιλαμβάνουν μηχανισμούς ανάδρασης, που τελικά οδηγούν σε ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Oυσιαστικά δεν αποτυπώνουν με την απαιτούμενη ακρίβεια το ρόλο των ωκεανών ως καταβόθρα (sink) του διοξείδιου άνθρακα.

20

21

22 Ατμόσφαιρα γενική κυκλοφορία Hadley cell Trade wind Westerlies ITCZ Subtropical high Strom track region Polar Hadley cell

23

24

25 Ωκεανοί - φυσικές ιδιότητες και ρόλος στο κλιματικό σύστημα Χαμηλή λευκαύγεια ισχυρός απορροφητής ηλιακής ακτινοβολίας Βασική πηγή θερμότητας για την ατμόσφαιρα Υψηλή θερμοχωρητικότητα μειώνει την ένταση των εποχιακών κύκλων των ατμοσφαιρικών παραμέτρων Σημαντική μεταφορά ενέργειας προς τους πόλους Ισχυρή καταβόθρα (reservoir) ατμοσφαιρικών χημικών στοιχείων

26 Ωκεάνεια επιφανειακά ρεύματα Wind derived Coriolis force and location of land affect current pattern Clockwise in NH, anticlockwise in SH Θερμά ρεύματα με κόκκινο χρώμα. Ψυχρά με μπλε.

27

28

29

30 Coupled atmosphere / ocean climate model Radiation Atmosphere: Density Motion Water Exchange of: Heat Momentum Water Ocean: Density (inc. Salinity) Motion Sea Ice Land

31

32

33 Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε Transitive Quasi steady state Eίδος θερμοδυναμικού συστήματος Αρχικές και οριακές συνθήκες Φυσικές σταθερές Χρόνοι σύξευξης ατμόσφαιρας ωκεανών κρυόσφαιρας Μηχανισμοί ανάδρασης (+/-) Aλληλεπίδραση ωκεανών - ατμόσφαιρας Βασικές εξισώσεις

34

35 Παραμετροποίηση φυσικών μηχανισμών Χημικοί μετασχηματισμοί Sub grid ανάλυση προσομοίωση Πρότυπη ατμόσφαιρα Kατάτμηση σε οριζόντια και κατακόρυφη κλίμακα Αριθμός grids (Δ/Α 2 ) Αριθμός παραμέτρων (Κ x n x Δ/Α 2 )

36 Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (1) Σύστημα θερμο-υδροδυναμικών εξισώσεων με συγκεκριμένες αρχικές και οριακές συνθήκες. Διατήρηση ορμής, μάζας, ενέργειας σε κάθε grid box. Φυσικές σταθερές: πλανητικά δεδομένα (R, g, γωνιακή ταχύτητα περιστροφής) και εσωτερικές σταθερές όπως ολική μάζα, χημική σύσταση ατμόσφαιρας και ωκεανών, θερμοχωρητικότητα και λανθάνουσα θερμότητα και παράμετροι που επηρεάζουν τη διάδοση Η/Μ ακτινοβολίας.

37 Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (2) Κύριο σύστημα η ατμόσφαιρα μαζί με την τοπογραφία της επιφάνειας, την τραχύτητα του εδάφους και την επιφανειακή θαλάσσια θερμοκρασία ως κύριες οριακές συνθήκες. Άλλες οριακές συνθήκες: λευκάγεια, υγρασία εδάφους, βλάστηση. Κλιμακωτό (θερμοδυναμικό) σύστημα: σύνολο υποσυστημάτων για κάθε ένα εκ των οποίων η «εξαγώγιμη» ενέργεια του 1 ου είναι η «κινητήρια» (driving) ενέργεια του επόμενου, κ.ο.κ.

38 Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (3) Βασικές παράμετροι: οι συνιστώσες ανέμου (u, υ), η θερμοκρασία, η ειδική υγρασία και η επιφανειακή πίεση. Ετεροσθενείς χρονικές κλίμακες: ατμόσφαιρα από 10-3 έως 10-1 ωκεανοί από 10-1 έως 10 3 κρυόσφαιρα από 10 0 έως 10 5

39

40

41

42 Μηχανισμοί ανάδρασης (4)

43

44 40

45 Eνα κλιματικό μοντέλο με οριζόντια χωρική διακριτική ικανότητα της τάξης των 100 km και 20 επίπεδα στην κατακόρυφο, απαιτεί χρονικό βήμα περίπου λεπτά. Μία προσομοίωση ενός έτους με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, θα απαιτούσε την επεξεργασία δεδομένων για κάθε ένα από τα 2.5 εκατομμύρια grid points, για πάνω από επαναλήψεις. Απαιτούνται αρκετοί μήνες μήνες για να γίνει μία εκτίμηση 50ετίας. Αν η Χ.Δ.Ι. είναι 300 km, 1 έτος προσομοίωσης απαιτεί μία πραγματική ημέρα.

46 Μηχανισμοί ανάδρασης - κατάταξη 42

47 43

48 Ανάδραση κλιματικού συστήματος Ανάδραση είναι μία κυκλική διαδικασία κατά την οποία μέρος του εξερχόμενου σήματος του συστήματος, επιστρέφει στο εισερχόμενο σήμα. είσοδος ΔQ ΔQfinal Κλιματικό σύστημα ΔT ΔTfinal έξοδος ΔQfinal =ΔQ +ΔQfeedback ΔQfeedback είτε+ ή -

49 H ισχύς ενός μηχανισμού ανάδρασης εξαρτάται από το πόσο ευαίσθητη είναι η αλλαγή στο εισερχόμενο αίτιο (input Q) στην αλλαγή του αποτελέσματος (output T) : Ισχύς Μ.Α. λ = ΔQ / ΔT Ευαισθησία κλίματος λ -1 = ΔT / ΔQ 1. Θετικές τιμές αρνητική ανάδραση, σταθερό σύστημα. 2. Αρνητικής τιμές θετική ανάδραση, ασταθές σύστημα 3. Οσο αυξάνεται το λ, ισχυροποιείται ο μηχανισμός ανάδρασης.

50 Stefan-Boltzmann feedback Εξερχόμενη Μμκ ακτινοβολία: F = σt 4 σ = 5.67x10-8 λ BB = F / T = 4σ T 3 = 3.75Wm -2 K Αρνητικός μηχανισμός, σταθερό σύστημα 2. 1K αύξησης στην Τ θα αυξήσει τη ροή F κατά 3.75 Wm -2

51 Ανάδραση λόγω υδρατμών Εξίσωση Clausius-Clapeyron: e s = f(t) 1% αύξηση στην T προκαλεί αύξηση 20% σε e s Ισχύς ανάδρασης: λ v = 1.7 Wm -2 K -1 1.Θετικός μηχανισμός, ασταθής κατάσταση. 2.Ασθενέστερος του λ BB 3. λ BB + λ v = 2.05 Wm -2 K -1

52 Ανάδραση λόγω λευκαύγειας πάγου (χιονιού) Ισχύς ανάδρασης λ ice = 0.6 Wm -2 K Θετικός μηχανισμός, ασταθής κατάσταση 2. λ BB + λ v + λ ice =1.45 Wm -2 K -1

53 Θετικοί μηχανισμοί ανάδρασης

54 Θετική ανάδραση Ανάδραση λόγωλευκαύγειας πάγου (Cooling) Αρχικός μηχανισμός Ψύξη της Γης Αύξηση κάλυψης πάγου Αύξηση λευκαύγειας Μείωση απορροφούμενης μμκ 50

55 Θετική ανάδραση Ανάδραση λόγω λευκαύγειας πάγου (Warming) Αρχικός μηχανισμός Θέρμανση της Γης Μείωση κάλυψης πάγου Μείωση λευκαύγειας Αύξηση απορροφούμενης μμκ 51

56 Θετικός Μηχανισμός Ανάδραση λόγω υδρατμών(warming) Η Γη θερμαίνεται Αύξηση εξάτμισης Η περιεκτικότητα σε υδρατμούς αυξάνεται Ενίσχυση ΦΘ 52

57 Θετικός μηχανισμός Ανάδραση λόγω υδρατμών(cooling) Η Γη ψύχεται Η εξάτμιση μειώνεται Η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υδρατμούς μειώνεται Το ΦΘ εξασθενεί 53

58 54 Βλάστηση και Μηχανισμοί ανάδρασης

59 Θετικός μηχανισμός Αύξηση SST και CO2 Aύξηση SST Aύξηση της απελευθέρωσης (release) CO2 από τους ωκεανούς Το ΦΘ ενισχύεται 55 55

60 Αρνητικοί μηχανισμοί ανάδρασης

61 Αρντηικός μηχανισμός Ανάδραση μεγάλου μήκους ακτινοβολίας Θέρμανση Γης Αύξηση της εξερχόμενης Μμκ Μείωση του θετικού ισοζυγίου Μείωση θερμοκρασίας πλανήτη 57

62 Ανάδραση λόγω φωτοσύνθεσης Αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται αύξηση της φυτοκάλυψης. Αύξηση της φυτοκάλυψης οδηγεί, φωτοσύνθεσης, σε αύξηση διακρατούμενου CO2 στην ατμόσφαιρα. λόγω του Θετικός ή αρνητικός μηχανισμός ανάδρασης;

63 Απομάκρυνση CO2 (chemical weathering) αρνητικός μηχανισμός 60

64 Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (5) Πρότυπη ατμόσφαιρα: σύστημα ομόκεντρων τομών (slices) από το έδαφος μέχρι τη στρατόπαυση. Eπιλογή κατακόρυφης συνιστώσας: z, p, θ, σ (p/po) (σ=0 στην κορυφή ατμόσφαιρας και σ=1 στην επιφάνεια)

65 Τι υποθέσεις κάνουμε και τι χρειάζεται να γνωρίζουμε (6) Αριθμός επιπέδων στην κατακόρυφη κλίμακα: (από λίγες εκατοντάδες μέτρα στο ΑΟΣ μέχρι μερικά Km σε ύψη > ΑΟΣ). Οριζόντια κλίμακα: km A/Δ 2 = αριθμός των grids στην οριζόντια κλίμακα (διάσταση), όπου Α είναι η έκταση του πλανήτη και Δ η μέση χωρική κλίμακα ενός grid. Αν n ο αριθμός των παραμέτρων, τότε Σn = n x K x A/Δ 2

66

67

68

69

70 19 levels in atmosphere 2.5 lat 3.75 long 30km The Hadley Centre third coupled model - HadCM3 20 levels in ocean Hadley Centre -5km

71 Παραμετροποίηση (7) Επιδιώκει τη σύζευξη διαφορετικών χρονικών και χωρικών κλιμάκων. λ.χ. οι στροβιλώδεις κινήσεις αναπτύσσονται εντός του ΑΟΣ και εντός ενός grid box. Όμως δεν μπορούν να αγνοηθούν καθώς είναι σημαντικές σε ότι αφορά στην μεταφορά μάζας, ορμής, ενέργειας.

72 Διαστάσεις κλιματικών μοντέλων(8) 3-D (λ,φ,z) 2-D (λ,φ), 2-D (λ,z) 1-D (λ), 1-D (φ), 1-D (z) 0 (D), αφορά μόνο Τ

73 One-Dimensional Climate Model

74 Two-Dimensional Climate Model

75 Three-Dimensional Climate Models (GCM)

76