Η Ηλιακή Ακτινοβολία στην περιοχή της Ευρώπης (βάσει των κλιματικών μοντέλων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα CMIP5 )

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Η Ηλιακή Ακτινοβολία στην περιοχή της Ευρώπης (βάσει των κλιματικών μοντέλων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα CMIP5 ) Βάσκου Ευμορφία Θεσσαλονίκη 2015 Επιβλέπουσα: κ. Κ. Τουρπάλη 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ευχαριστίες.3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ABSTRACT... 5 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ... 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Η ηλιακή ακτινοβολία Η ανάγκη για την εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας Εκπομπή ηλιακής ακτινοβολίας Αλληλεπίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα Διανομή της Ηλιακής Ακτινοβολίας στο σύστημα Γης Ατμόσφαιρας. Το Ενεργειακό Ισοζύγιο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Εισαγωγή Κατηγορίες κλιματικών μοντέλων Περιγραφή πειραμάτων και προσομοιώσεων Τα μοντέλα της Διπλωματικής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Εισαγωγή: Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Εκμετάλλευσης Μετεωρολογικών Δορυφορικών Δεδομένων (Τhe European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites [EUMETSAT]) Αξιοποίηση Δορυφορικών Δεδομένων για την παρακολούθηση του Κλίματος (The Satellite Application Facility on Climate Monitoring [CM SAF]) Η δομή του οργανισμού Δορυφόροι και όργανα μέτρησης Περιγραφή δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ GLOBAL DIMMING/ GLOBAL BRIGHTENING Εισαγωγή: Ο ρόλος των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών στην πορεία της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΤΗΣ ΕΥΡΩΠΗΣ Εισαγωγή Περιγραφή διαδικασίας ΔΕΔΟΜΕΝΑ: ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ: Παρουσίαση αποτελεσμάτων : ΜΕΡΟΣ Α

3 Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΜΕΡΟΣ Β Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΜΕΡΟΣ B Σχολιασμός αποτελεσμάτων MΕΡΟΣ Γ Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΜΕΡΟΣ Δ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΕΤΗΣΙΑΣ ΤΙΜΗΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Περιγραφή διαδικασίας Παρουσίαση αποτελεσμάτων Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ Α) ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ Β) ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ.102 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ :

4 Ευχαριστίες Η διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια των σπουδών μου στο Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα «Φυσική Περιβάλλοντος» του τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κατά τα έτη Θα ήθελα να ευχαριστήσω από καρδιάς την επιβλέπουσα καθηγήτρια μου, κ. Κλεαρέτη Τουρπάλη, για την αμέριστη βοήθειά της, τόσο κατά την εκπόνηση της εργασίας, όσο και καθ όλη τη διάρκεια φοίτησης μου στο πρόγραμμα. Επίσης τους καθηγητές μου, κ. Α. Μπάη, κ. Δ. Μπαλή, κ. Δ. Μελά και κ. Χ. Μελέτη για τη συνολική συνεισφορά τους στη γνώση που απέκτησα κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τον κ. Μήσιο Στέργιο για την βοήθεια, την κατανόηση και το χρόνο που αφιέρωσε σε κάθε βήμα αυτής της μελέτης καθώς επίσης και τον κ. Φουντουλάκη Ηλία του οποίου οι συμβουλές σε υπολογιστικά θέματα ήταν πολύτιμες. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου που με στήριξε όλα τα χρόνια των σπουδών μου. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω, τον κ. Κάλφα Χρήστο, του οποίου η παρουσία και η στήριξη είναι σημαντική σε κάθε επίπεδο. Βάσκου Ευμορφία 4

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το αυξημένο ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για την κλιματική αλλαγή έχει στρέψει την προσοχή μας σε ποσοτικές εκτιμήσεις της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Στην παρούσα μελέτη εκτιμάται η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια, για την περιοχή της Ευρώπης, μέσω των κλιματικών μοντέλων τα οποία αξιολογούνται στην Πέμπτη Έκθεση Αξιολόγησης ( Fifth Assessment Report, AR5 ) της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Σε πρώτο στάδιο, μελετάται η ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου και η κλιματολογία αυτής της περιοχής, σε μια προσπάθεια αξιολόγησης των κλιματικών μοντέλων. Για να εκφέρουμε σαφή αποτελέσματα, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοντέλων με διαθέσιμες δορυφορικές μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας και εξάγονται ασφαλή συμπεράσματα για την μελλοντική εκτίμηση της ακτινοβολίας που προβλέπεται να φτάσει στην περιοχή μελέτης τα επόμενα χρόνια, μέσω των μελλοντικών σεναρίων των κλιματικών μοντέλων. Επίσης γίνεται μια προσπάθεια εκτίμησης της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια, εκφρασμένη ως μέση παγκόσμια τιμή και της χρονική εξέλιξης της σε βάθος χρόνου δυο περίπου εκατονταετιών. Τέλος γίνεται προσπάθεια μελλοντικής εκτίμησης της ίδιας μεταβλητής, για την περιοχή μελέτης μέσω των κλιματικών μοντέλων. ABSTRACT Climate change has raised scientific communities interest to quantitative estimates of incoming solar radiation. This study estimates the solar radiation that reaches the surface, for the region of Europe, using simulations by climate models which are evaluated to the Fifth Assessment Report (Fifth Assessment Report, AR5) of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Initially, we study the climatology of the wider Mediterranean region, in an effort to evaluate the climate models. In order to express clear results, there is available a comparison of the model-results with satellite data. Moreover we estimate the future assessment of radiation expected to reach the study area in the coming years, through the future scenarios of climate models. Also there is an effort to estimate solar radiation reaching the surface, expressed as global mean value and it s trend in a long-term period of about two centuries. Finally we attempt to estimate the same variable in the same area by climate models future scenarios (RCP4.5). 5

6 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ Ο Ήλιος είναι το αστέρι που τροφοδοτεί το κλίμα της Γης με την απαραίτητη ενέργεια για την ύπαρξη και τη διατήρηση της ζωής, σε κάθε μορφή της. Η θεμελιώδης διαδικασία της φωτοσύνθεσης, η οποία τροφοδοτεί όλα τα οικοσυστήματα, θα ήταν αδύνατη χωρίς την απαραίτητη ενέργεια από τον ήλιο. Ο κλιματικός μηχανισμός ενεργοποιείται και τα μετεωρολογικά φαινόμενα εξελίσσονται με την παρουσία της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η θερμότητα που εγκλωβίζεται στην γήινη ατμόσφαιρα διατηρεί την μέση παγκόσμια θερμοκρασία σε ανεκτά για τη ζωή επίπεδα. Η σημασία της ύπαρξης αυτού του αστέρα και η άμεση σύνδεση του με την ύπαρξη και τη διατήρηση της ζωής είναι γνωστή από τα προϊστορικά χρόνια και τη μυθολογία. Η άγνοια και η έμφυτη τάση του ανθρώπινου είδους να οφείλει τη «δημιουργία» και την «ύπαρξη» σε μια ανώτερη δύναμη οδήγησαν στην θεοποίηση του αστέρα με αποτέλεσμα ο Ήλιος να λατρεύεται ως θεότητα και να απαντάται σε διαφορετικές αρχαίες θρησκείες και μυθολογίες ανά τον κόσμο, με διαφορετικά προσωνύμια (Φοίβος, Ρα, Huitzilopochtli, Lugus, Surya, Lisa κ.α.). Αναφορές στις ιδιότητες του ήλιου απαντάμε και στις σύγχρονες θρησκείες όπως στον Χριστιανισμό. Μελετώντας τον ήλιο με σύγχρονα επιστημονικά μέσα, αποδεικνύεται ότι η ενέργεια που φτάνει στη Γη μεταβάλλεται σημαντικά μέσα από δυναμικά φαινόμενα και μακροχρόνιες διεργασίες. Οι μεταβολές αυτές οφείλονται τόσο στη φυσική μεταβλητότητα του αστέρα και στην ελλειπτική τροχιά περιστροφής της Γης, όσο και σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες οι οποίες επηρεάζουν τη σύσταση της ατμόσφαιρας την οποία «διασχίζει» η ηλιακή ακτινοβολία για να φτάσει στην επιφάνεια του πλανήτη μας. Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο υπολογισμός της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος (solar irradiance), που φτάνει στην περιοχή της Μεσογείου, μέσω των κλιματικών μοντέλων τα οποία αξιολογούνται στην Πέμπτη Έκθεση Αξιολόγησης ( Fifth Assessment Report, AR5 ) της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Σε πρώτο στάδιο, μελετάται η λεκάνη της Μεσογείου και η κλιματολογία αυτής της περιοχής, σε μια προσπάθεια αξιολόγησης των κλιματικών μοντέλων. Για να εκφέρουμε σαφή αποτελέσματα, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοντέλων με διαθέσιμες δορυφορικές μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας και εξάγονται ασφαλή συμπεράσματα για την μελλοντική εκτίμηση της ακτινοβολίας που προβλέπεται να φτάσει στην περιοχή μελέτης τα επόμενα χρόνια, μέσω των μελλοντικών σεναρίων των κλιματικών μοντέλων. Επίσης γίνεται μια προσπάθεια εκτίμησης της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια, εκφρασμένη ως μέση παγκόσμια τιμή και της χρονική εξέλιξης της σε βάθος χρόνου δυο περίπου εκατονταετιών. Τέλος γίνεται προσπάθεια μελλοντικής εκτίμησης τη ίδιας μεταβλητής, μέσω των κλιματικών μοντέλων. Έτσι λοιπόν, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή για την ανάγκη της εκτίμησης της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη Γη, καθώς επίσης και μια λεπτομερής περιγραφή των φυσικών μεγεθών που την επηρεάζουν. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα κλιματικά μοντέλα και το πρόγραμμα CPIM5, αποτελέσματα του οποίου χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία, ενώ στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι οργανισμοί και οι φορείς που παρέχουν τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται στη μελέτη. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια προσπάθεια κατανόησης των φαινομένων Global Dimming και Global Brightening μέσω βιβλιογραφικών αναφορών. Στο κεφάλαιο 5 μελετάται η κλιματολογία στην περιοχή της Μεσογείου, γίνεται δηλαδή μια εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας για το εγγύς παρελθόν 6

7 ( ). Τέλος, παρουσιάζονται τα δορυφορικά δεδομένα για την ίδια περιοχή, και γίνεται σύγκριση αυτών με τα αποτελέσματα των κλιματικών μοντέλων. Στο κεφάλαιο 6 υπολογίζεται η μέση παγκόσμια τιμή της ακτινοβολίας εκφρασμένη ως μέση ετήσια τιμή και εκτιμάται η πορεία της από το 1850 μέχρι σήμερα, ενώ ταυτόχρονα γίνεται μια μελλοντική εκτίμηση για την ερχόμενη εκατονταετία μέσω του σεναρίου RCP4.5. Ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων γίνεται στο κεφάλαιο 7 όπου και παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα. 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Η ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Η ηλιακή ακτινοβολία 1.1. Η ανάγκη για την εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας Το αυξανόμενο ενδιαφέρον, τόσο σε διεθνές όσο και σε εθνικό επίπεδο, για την κλιματική αλλαγή αλλά και για τη μείωση του στρώματος του όζοντος έχει στρέψει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας σε δραστηριότητες που σχετίζονται με την αξιόπιστη παρακολούθηση των τιμών της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης αλλά και τη βραχυπρόθεσμη ή μακροπρόθεσμη πρόβλεψη των επιπέδων της. Οι δραστηριότητες αυτές περιλαμβάνουν αφενός άμεσες μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας από το διάστημα ή από επίγειους σταθμούς και αφετέρου ποσοτικές εκτιμήσεις μέσω των κλιματικών μοντέλων, τα οποία προσομοιώνουν ικανοποιητικά τη σύσταση και τη δομή της ατμόσφαιρας. Διεθνείς οργανισμοί, κρατικοποιημένοι φορείς αλλά και μη κυβερνητικές οργανώσεις παρακολουθούν την εξέλιξη της κλιματικής αλλαγής, οργανώνοντας επιστημονικές εκστρατείες και εκστρατείες ενημέρωσης της παγκόσμιας κοινότητας με στόχο τον περιορισμό των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου και την εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Με τον όρο κλιματική αλλαγή αναφερόμαστε σε οποιαδήποτε συστηματική μεταβολή της κατανομής των ατμοσφαιρικών παραμέτρων (θερμοκρασία, υγρασία, άνεμος) για εκτεταμένη χρονική περίοδο (δεκαετιών ή αιώνων ή εκατομμυρίων ετών). Με βάση την Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel for Climate Change-IPCC) οι μεταβολές του κλίματος προέρχονται από διαταραχές του ενεργειακού ισοζυγίου του συστήματος ατμόσφαιρας-υδρόσφαιρας-λιθόσφαιρας και οφείλονται κυρίως στην αύξηση της συγκέντρωσης των θερμοκηπικών αερίων στην ατμόσφαιρα. Το κλίμα του πλανήτη μεταβάλλεται από φυσικά αίτια (ηλιακή δραστηριότητα, αλλαγές της τροχιάς της γης, ηφαιστειακή δραστηριότητα), από ανθρωπογενή αίτια (αλλαγή στη σύσταση της ατμόσφαιρας, αλλαγή στη χρήση γης) και από την εσωτερική κλιματική μεταβλητότητα, δηλαδή τις αλλαγές του κλίματος χωρίς την παρουσία των παραπάνω παραγόντων. Το ζήτημα του κατά πόσον - και σε ποιο βαθμό - το γήινο κλίμα επηρεάζεται από την ηλιακή μεταβλητότητα παραμένει κεντρικό σημείο για την κατανόηση της ανθρωπογενούς κλιματικής αλλαγής. Η ανάγκη για την εκτίμηση της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στον πλανήτη μας θα μπορούσε να αναλυθεί σε δύο συνιστώσες. Αρχικά, η ποσοτικοποίηση της ακτινοβολίας συμβάλλει στην κατανόηση όλων των ατμοσφαιρικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα, καθώς η ηλιακή ακτινοβολία αποτελεί τον σπουδαιότερο παράγοντα διαμόρφωσης του κλίματος, εξαιτίας της άνισης κατανομής της στην επιφάνεια της Γης, η οποία ενεργοποιεί την κυκλοφορία της ατμόσφαιρας. Από την άλλη μεριά, τα παράδοξα καιρικά φαινόμενα που καταδεικνύουν την εδραίωση του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής, επιβάλλει τη στροφή σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με στόχο τη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου και την επίτευξη μιας βιώσιμης ανάπτυξης. Έτσι λοιπόν, τα αποτελέσματα ερευνών που αφορούν στην εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας παρουσιάζουν τόσο επιστημονικό, όσο και οικονομικό και εμπορικό ενδιαφέρον, καθώς τα τελευταία χρόνια η αξιοποίηση της ανανεώσιμης, και θεωρητικά ανεξάντλητης πηγής ενέργειας, βρίσκει ευρεία εφαρμογή μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων. 9

10 1.2 Εκπομπή ηλιακής ακτινοβολίας Η ενέργεια του Ήλιου φτάνει στη Γη με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Με τον όρο «ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία» ή «ακτινοβολία» αναφερόμαστε στην εκπομπή και στην διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων τα οποία παράγονται από ταλαντούμενα ηλεκτρικά δίπολά ή από αποδιεγέρσεις ατόμων ή πυρήνων και διαδίδονται στο κενό ή σε διαπερατά προς την ακτινοβολία μέσα. Η ακτινοβολία διακρίνεται εύκολα από τα άλλα είδη μεταφοράς ενέργειας, καθώς δεν απαιτείται παρουσία υλικού μέσου για τη διάδοση της και διαδίδεται στο κενό με την ταχύτητα του φωτός (c o = m/s). Χαρακτηριστικά μεγέθη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι η συχνότητα (f), το μήκος κύματος (λ), η ταχύτητα διάδοσης (c) και η ένταση (Ι). Ως ένταση της ακτινοβολίας ορίζεται η ενέργεια ανά μονάδα χρόνου (ισχύς), που φτάνει σε μια μοναδιαία επιφάνεια ανά μήκος κύματος (επομένως και ανά συχνότητα) (W/m 2. nm). Η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στη γη είναι κατά μέσο όρο 173 ΕxaW (10 15 W). Η γη βρίσκεται σε απόσταση 150 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από τον ήλιο, και με δεδομένο ότι ο ήλιος έχει 125 φορές τη διάμετρο της γης, προκύπτει ότι η τελευταία δέχεται μόλις το 1 /10 της ακτινοβολίας που εκπέμπει ο ήλιος. Η ηλικία του ήλιου εκτιμάται ότι είναι μεγαλύτερη από πέντε δισεκατομμύρια έτη, ενώ υπολογίζεται ότι ο ήλιος θα συνεχίσει να εκπέμπει ακτινοβολία με τον ίδιο ρυθμό για άλλα τόσα έτη τουλάχιστον. Επομένως, η ηλιακή ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη, τυπικά ανεξάντλητη, πηγή ενέργειας. Η μέση ετήσια πυκνότητα ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μία μοναδιαία επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ήλιου στο όριο της ατμόσφαιρας της γης έχει μέση τιμή 1367 W/m 2 και ορίζεται ως ηλιακή σταθερά. Το ποσό αυτό μεταβάλλεται λόγω της μεταβαλλόμενης απόστασης Ήλιου Γης (ελλειπτική τροχιά περιφοράς της Γης γύρω από τον ήλιο), αλλά και λόγω της ηλιακής δραστηριότητας (ηλιακές κηλίδες εκλάμψεις κ.α.) Το φάσμα εκπομπής της ηλιακής ακτινοβολίας έχει μια αρκετά ομαλή κατανομή ως προς το μήκος κύματος, τυπικό ενός μέλανος σώματος σε θερμοκρασία περίπου 5700 Κ. Ωστόσο, το φάσμα που φτάνει στο άνω όριο της ατμόσφαιρας της Γης είναι αρκετά σύνθετο καθώς μέρος της εξερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από την ατμόσφαιρα ιόντων, ατόμων, και περιστασιακά μορίων, που καλύπτει την επιφάνεια του ήλιου. Περίπου το 99% της συνολικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που προέρχεται από τον ήλιο ανήκει στην περιοχή του υπεριώδους, του ορατού και του υπερύθρου (100 nm nm). Στο επόμενο σχήμα φαίνεται το φάσμα εκπομπής του ήλιου που προσπίπτει στο άνω όριο της γήινης ατμόσφαιρας. Εικόνα 1.1 : Φάσμα εκπομπής του ήλιου που φτάνει στη μέση απόσταση Ηλίου γης. Πηγή ( 10

11 1.3. Αλληλεπίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα. Η ακτινοβολία που φτάνει στο άνω όριο της ατμόσφαιρας συγκρινόμενη με την ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης παρουσιάζει σημαντικότατες αποκλίσεις, γεγονός που οφείλεται στην ιδιότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων να αλληλεπιδρούν με την ύλη με διάφορους τρόπους. Όταν η ακτινοβολία διέρχεται από ένα μέσο, μέρος της ενέργειας της μπορεί να απορροφηθεί από τα συστατικά του με αποτέλεσμα η εξερχόμενη ακτινοβολία να είναι ασθενέστερη. Εκτός από την απορρόφηση, η ακτινοβολία μπορεί επίσης να υποστεί σκέδαση, δηλαδή πρακτικά να εκτραπεί από τη διεύθυνση διάδοσής της προς μια άλλη. Αποτέλεσμα αυτών των διεργασιών είναι το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης να είναι πολύ διαφορετικό από αυτό που φτάνει στο άνω όριο της ατμόσφαιρας. Η ατμόσφαιρα λοιπόν δεν είναι ένα απόλυτα διαφανές µέσο για τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα συστατικά της απορροφούν ένα τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας, σκεδάζουν ένα σημαντικό μέρος αυτής ή ανακλούν τμήμα αυτής πίσω στο διάστημα. Οι κύριες ουσίες που απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία, σε ειδικές περιοχές του φάσματος είναι: το Όζον (Ο 3 ), το Οξυγόνο (Ο 2 ), το Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ), οι Υδρατμοί (H 2 O) και τα αιωρούμενα σωματίδια. Η διάχυση του φωτός γίνεται τόσο από τα µόρια του αέρα, όσο και από τις διάφορες προσμίξεις, σταγονίδια νερού κ.λ.π. Εικόνα 1.2 : Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Πηγή ( Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η ολική ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω σε μια οριζόντια ή κεκλιμένη επιφάνεια, έχει δυο συνιστώσες: την άμεση και την διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία. Άμεση ηλιακή ακτινοβολία είναι αυτή η οποία φτάνει απ' ευθείας από τον ηλιακό δίσκο στην επιφάνεια του εδάφους χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση (αλλαγή κατεύθυνσης) κατά τη διαδρομή της μέσα στην ατμόσφαιρα. Εξαρτάται από την απόσταση Ήλιου-Γης, την ηλιακή απόκλιση, το ηλιακό ύψος, το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, το υψόμετρο του τόπου, την κλίση της επιφάνειας επί της οποίας προσπίπτει, καθώς και από την απορρόφηση και διάχυση την οποία υφίσταται μέσα στην ατμόσφαιρα. Διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία είναι το ποσό της ακτινοβολίας που φθάνει στην επιφάνεια του εδάφους μετά την ανάκλαση ή σκέδαση μέσα στην ατμόσφαιρα, αλλά και μετά από ανάκλαση πάνω στην επιφάνεια της Γης. Η διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται από το ηλιακό ύψος, το υψόμετρο του τόπου, τη λευκαύγεια του εδάφους, το ποσό και το είδος των νεφών, καθώς και από την παρουσία διαφόρων κέντρων σκεδάσεως (αερολυμάτων, υδροσταγόνων κ.α.) που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση που διανύει η ηλιακή 11

12 ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα, τόσο μικρότερο είναι το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης. Για τον λόγο αυτό η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι πολύ μεγαλύτερη κατά την θερινή περίοδο σε σχέση με τη χειμερινή. Τέλος, όσο πιο κάθετα προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία πάνω σε μια επιφάνεια στην Γη τόσο μεγαλύτερη είναι η έντασή της. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι μια μορφή ενέργειας με σχεδόν σταθερή και προβλέψιμη ένταση (W/m 2 ) στην διάρκεια του χρόνου και της ημέρας. Η ηλιακή ακτινοβολία παρουσιάζει την μέγιστη ένταση της κατά την διάρκεια του μεσημεριού (μέγιστο ηλιακό ύψος), τόσο κατά τη θερινή όσο και κατά τη χειμερινή περίοδο. Η ηλιακή ενέργεια είναι μεγαλύτερη κατά τη θερινή περίοδο, λόγω την θέσης του ήλιου, αλλά και λόγω της αύξησης των ωρών ηλιοφάνειας (μείωση των νεφώσεων). Για τον υπολογισμό της προσπίπτουσας ολικής ηλιακής ακτινοβολίας σε οποιαδήποτε κεκλιμένη ή/και περιστρεφόμενη επιφάνεια, είναι απαραίτητη η γνώση της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο. Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε κεκλιμένες επιφάνειες με σταθερό ή τυχαίο προσανατολισμό υπολογίζεται με θεωρητικά και εμπειρικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί και βασίζονται κυρίως σε μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας στο οριζόντιο επίπεδο της υπό μελέτη περιοχής. Στα μοντέλα αυτά συνυπολογίζονται και γεωμετρικοί παράγοντες που σχετίζονται με την τροχιά του ήλιου, την περιοχή και την εποχή του χρόνου. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μια επιφάνεια είναι συνάρτηση της κλίσης της επιφάνειας, του προσανατολισμού της και της περιοχής εγκατάστασης (γεωγραφικό πλάτος και μήκος). Σημαντική επίσης παράμετρος είναι η καθαρότητα του ορίζοντα και τα τυχόν φυσικά ή τεχνητά εμπόδια που υπάρχουν γύρω από την επιφάνεια πρόσπτωσης. Συνοψίζοντας λοιπόν θα μπορούσαμε να πούμε ότι η ολική ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια, ως άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης, αποτελεί τη σημαντικότερη παράμετρο που ρυθμίζει τη θερμική κατάσταση του πλανήτη. Το ποσό της ολικής ακτινοβολίας που φτάνει σε μια επιφάνεια εξαρτάται από τους εξής παράγοντες : α) απόσταση Γης Ήλιου (ηλιακή σταθερά) β) ύψος του ήλιου (το οποίο μεταβάλλεται με το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή) γ) διαδρομή της ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα (απορρόφηση και διάχυση) δ) τοπογραφία και προσανατολισμοί επιφανειών ε) ύπαρξη νέφωσης και είδη νεφών 12

13 1.4. Διανομή της Ηλιακής Ακτινοβολίας στο σύστημα Γης Ατμόσφαιρας. Το Ενεργειακό Ισοζύγιο Συμφώνα με το νόμο του Plank, κάθε θερμό σώμα εκπέμπει ακτινοβολία η οποία είναι άμεση συνάρτηση της θερμοκρασίας του σώματος. Έτσι λοιπόν και η γη λόγω της θερμοκρασίας της (300 Κ) εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία (λ>4 μm) με μέγιστη ένταση στα 10 μm. Ομοίως και η ατμόσφαιρα εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία (λ>4 μm) προς όλες τις κατευθύνσεις. Η γήινη ακτινοβολία απορροφάται κυρίως από τους υδρατμούς και δευτερευόντως από το διοξείδιο του άνθρακα και το όζον. Ωστόσο, σε μια περιοχή του φάσματος (8-12 μm) η απορρόφηση από την ατμόσφαιρα είναι μικρή. Αυτή η περιοχή του φάσματος είναι γνωστή με τον όρο «ατμοσφαιρικό παράθυρο». Η ύπαρξη του ατμοσφαιρικού παραθύρου επιτρέπει ένα μέρος της ενέργειας της γης να διαφύγει προς το διάστημα με αποτέλεσμα, η θερμοκρασία του πλανήτη να διατηρείται σε ανεκτά για τη ζωή επίπεδα. Γενικότερα, η θερμοκρασία της γης καθορίζεται από το γεγονός ότι το ποσό της ενέργειας που φτάνει στη Γη από τον ήλιο πρέπει να ισούται με το ποσό της ενέργειας που επανεκπέμπεται από τη Γη. Κατά μέσο όρο η Γη βρίσκεται σε ισοζύγιο ακτινοβολίας με το διάστημα, δηλαδή στο όριο της ατμόσφαιρας η ηλιακή κατερχόμενη, μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία είναι ίση με την ανερχόμενη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία η οποία προέρχεται από τη Γη και την ατμόσφαιρα, όπως φαίνεται και στην εικόνα που ακολουθεί. Κάθε διαφορά μεταξύ των δύο σχημάτων είναι ενδεικτική της απορρόφησης και της εκπομπής από την ατμόσφαιρα. Εικόνα 1.3 : Η εισερχόμενη ηλιακή (αριστερό σχήμα) και η εξερχόμενη γήινη ακτινοβολία (δεξί σχήμα) στο άνω όριο της ατμόσφαιρας (100 km) και στην επιφάνεια της γης. Πηγή : «Φυσική της Ατμόσφαιρας», Σημειώσεις, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 2011 Όπως φαίνεται και στην επόμενη εικόνα, στο άνω όριο της ατμόσφαιρας φτάνουν κατά μέσο όρο 340 W/m 2 ηλιακής ενέργειας (σαν μέση τιμή ημέρας- νύχτας, τροπικών και πολικών περιοχών). Το 23% αυτής της ακτινοβολίας ανακλάται πίσω στο διάστημα από τα νέφη και την ατμόσφαιρα ενώ ένα άλλο 23% απορροφάται από τα συστατικά της ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα στην επιφάνεια της γης να φτάνει το 48% της ολικής ηλιακής ενέργειας. Τρεις διεργασίες «αφαιρούν» από την επιφάνεια της γης αυτήν την ενέργεια και αυτές είναι η εξάτμιση (με ποσοστό 25%), η διάδοση θερμότητας μέσω συναγωγής (convection) (5%) και η επανεκπομπή μέσω υπέρυθρης ακτινοβολίας κατά 17%. Στο 13

14 τελευταίο ποσοστό προστίθεται κ η φυσική εκπομπή υπέρυθρης ακτινοβολία από τη γη λόγω της θερμοκρασίας της. Έτσι λοιπόν έχουμε μια ανερχόμενη ροή ενέργειας, η οποία και αυτή με τη σειρά της αλληλεπιδρά με τα συστατικά της ατμόσφαιρας και μόνο ένα μικρό μέρος της (12%) διαφεύγει από το ατμοσφαιρικό παράθυρο. Εικόνα 1.4 : Σχηματική απεικόνιση του ενεργειακού ισοζυγίου και των παραμέτρων που το καθορίζουν. Πηγή : - NASA illustration by Robert Simmon, adapted from Trenberth et al. 2009, using CERES flux estimates provided by Norman Loeb.) Το παραπάνω ισοζύγιο θα μπορούμε να περιγραφεί μαθηματικά από την ακόλουθη σχέση: Q*=K - K + L - L = (1-α)K + L - εστ 4 («Φυσική της Ατμόσφαιρας», κ. Τουρπάλη) Όπου: - Q* η ολική ακτινοβολία - Κ η ακτινοβολία σε μικρά μήκη κύματος (ηλιακή ακτινοβολία) - L η ακτινοβολία σε μεγάλα μήκη κύματος (γήινη ακτινοβολία) - α το albedo (η ικανότητα των επιφανειών να ανακλούν την ακτινοβολία) - ε ο συντελεστής εκπομπής Κάθε διαταραχή του ενεργειακού ισοζυγίου «μπλοκάρει» τη διαφυγή της υπέρυθρης ακτινοβολίας προς το διάστημα, με αποτέλεσμα την ανακατανομή της ενέργειας στο σύστημα της ατμόσφαιρας γεγονός που οδηγεί στην αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος. Το φαινόμενο είναι γνωστό και ως «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Αξίζει να αναφερθεί ότι το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι απαραίτητο για την ύπαρξη και τη διατήρηση της 14

15 ζωής στον πλανήτη μας, καθώς αν δεν υπήρχε ατμόσφαιρα στη γη, με αποτέλεσμα να μην συνέβαινε το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου, η θερμοκρασία στην επιφάνεια του πλανήτη θα ήταν σίγουρα κατά 30 βαθμούς χαμηλότερη από την πραγματική. Κατά κύριο λόγω, το ενεργειακό ισοζύγιο διαταράσσεται λόγω μεταβολής της σύστασης της ατμόσφαιρας και κυρίως λόγω αύξησης των λεγόμενων «θερμοκηπικών αερίων», όπως είναι το CO 2 και οι υδρατμοί (Η 2 Ο). Οι διαταραχές του ενεργειακού ισοζυγίου οδηγούν σε κλιματικές μεταβολές, καθώς όπως έχει ήδη αναφερθεί η ενέργεια που εγκλωβίζεται στην ατμόσφαιρα είναι υπεύθυνη για τη γενικό κυκλοφορία της ατμόσφαιρας, καθορίζει το κλίμα και είναι δείκτης πιθανών κλιματικών αλλαγών. 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ 2.1 Εισαγωγή Τα κλιματικά μοντέλα αποτελούν πλέον τα χρησιμότερα εργαλεία για την παρακολούθηση του παγκόσμιου κλίματος, τη διερεύνηση παλαιότερων εποχών και μελλοντικές εκτιμήσεις για τις κλιματικές συνθήκες διαβίωσης στον πλανήτη μας τις επόμενες εκατονταετίες. Ένα κλιματικό μοντέλο χρησιμοποιεί αριθμητικές μεθόδους για να προσομοιώσει τις αλληλεπιδράσεις της ατμόσφαιρας με τους ωκεανούς, την επιφάνεια της γης, και τις πολικές περιοχές. Χρησιμοποιούνται για ποικίλους σκοπούς, ξεκινώντας από τη μελέτη των δυναμικών φαινομένων του κλιματικού μηχανισμού, μέχρι και για εκτιμήσεις για το μελλοντικό κλίμα. Η πιο διαδεδομένη χρήση των κλιματικών μοντέλων τα τελευταία χρόνια είναι η εκτίμηση της πορείας της μέσης παγκόσμιας θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου (κλιματική αλλαγή). Όλα τα κλιματικά μοντέλα βασίζονται στο ενεργειακό ισοζύγιο υπολογίζοντας την εισερχόμενη, μικρού μήκους κύματος ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προερχόμενη από τον ήλιο, καθώς επίσης και την εξερχόμενη, υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τη Γη. Οποιαδήποτε διαφορά ανάμεσα στις δυο ποσότητες ακτινοβολίας οδηγεί σε μεταβολές της θερμοκρασίας του πλανήτη. Σε γενικές γραμμές ένα κλιματικό μοντέλο είναι η προσομοίωση του κλιματικού συστήματος, βασισμένη σε φυσικές, βιολογικές και χημικές διεργασίες. Οι εξισώσεις που προκύπτουν από τις παραπάνω αρχές είναι τόσο πολύπλοκες που πρέπει να λυθούν αριθμητικά. Ως αποτέλεσμα, τα μοντέλα παρέχουν δεδομένα τα οποία είναι διακριτά στο χώρο και στο χρόνο, δηλαδή τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν μέσες τιμές ανά περιοχή, η οποία εξαρτάται από τη χωρική ανάλυση του μοντέλου, για δεδομένες χρονικές περιόδους. Για παράδειγμα, κάποια μοντέλα παρέχουν μόνο παγκόσμιες ή ζωνικές μέσες τιμές ενώ κάποια άλλα διαθέτουν χωρικό πλέγμα με ανάλυση μικρότερη από 100 km. Το χρονικό βήμα μπορεί να είναι της τάξης των μερικών λεπτών μέχρι και μερικών ετών, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε έρευνας. Ακόμη και για τα μοντέλα με ικανοποιητική ανάλυση, το βήμα του πλέγματος είναι τόσο μεγάλο, ώστε δεν μπορούν να προσομοιωθούν διεργασίες μικρής κλίμακας όπως οι τυρβώδεις ροές του οριακού στρώματος της ατμόσφαιρας ή των ωκεανών, οι αλληλεπιδράσεις μικρής κλίμακας με τα χαρακτηριστικά της τοπογραφίας, οι καταιγίδες, οι μικροφυσικές διεργασίες των νεφών κ.α.. Επιπλέον, κάποιες διεργασίες δεν είναι απολύτως γνωστές, ώστε να συμπεριληφθούν οι λεπτομερείς επιδράσεις τους στο μοντέλο. Κατά συνέπεια, είναι επιτακτική η ανάγκη για την παραμετροποίηση τέτοιων διεργασιών, βασισμένη σε εμπειρικούς ή και αριθμητικούς κανόνες. Καθώς όμως η παραμετροποίηση αναπαράγει μόνο τις άμεσες επιδράσεις αυτών των φαινομένων, είναι συχνά μια μεγάλης κλίμακας, πηγή αβεβαιότητας. Σε συνδυασμό με τις βασικές αρχές της φυσικής, της βιολογίας και της χημείας, τα κλιματικά μοντέλα απαιτούν κάποια δεδομένα εισόδου από παρατηρήσεις μετρήσεις μεγεθών, ή αποτελέσματα άλλων μοντέλων. Για ένα κλιματικό μοντέλο το οποίο περιγράφει σχεδόν όλες τις παραμέτρους ενός συστήματος, απαιτείται ένας σχετικά μικρός όγκος δεδομένων, όπως η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία, η ακτίνα και η περίοδος περιστροφής της γης, η τοπογραφία και η βαθυμετρία των ωκεανών, κάποιες ιδιότητες του εδάφους κ.α.. 17

18 Τα δεδομένα εισόδου συνήθως κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: στις οριακές συνθήκες (boundary conditions), οι οποίες κατά κανόνα διατηρούνται σταθερές καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης, και στους εξωτερικούς εξαναγκασμούς (external forcing) όπως παραδείγματος χάρη οι μεταβολές της ηλιακής δραστηριότητας. Ωστόσο, οι παραπάνω ορισμοί δεν είναι σαφώς καθορισμένοι. Οι καταναγκασμοί που λαμβάνονται υπόψη σε ένα μοντέλο, μπορεί να είναι τα δεδομένα εξόδου για ένα άλλο μοντέλο. Παραδείγματος χάρη, οι μεταβολές στη συγκέντρωση του CO 2, μπορούν να εισαχθούν ως δεδομένα σε κάποια μοντέλα, ενώ σε κάποια άλλα μπορεί να υπολογίζονται απευθείας από ένα συζευγμένο μοντέλο του κύκλου του άνθρακα. Επιπλέον, οι οριακές συνθήκες κάποιων μοντέλων, όπως η τοπογραφία των περιοχών που είναι καλυμμένες με πάγο, μπορούν να εξελίσσονται διαδραστικά σε ένα μοντέλο το οποίο έχει σχεδιαστεί για τη μελέτη κλιματικών μεταβολών σε μεγάλες χρονικές κλίμακες. Σε όλα τα μοντέλα απαιτούνται δεδομένα εισόδου, κατά τη διάρκεια των προσομοιώσεων. Ωστόσο, η καλή ποιότητα των δεδομένων είναι σημαντικότερη κατά τη φάση ανάπτυξης δημιουργίας του κώδικα του μοντέλου, καθώς αυτά παρέχουν απαραίτητες πληροφορίες για τις ιδιότητες του συστήματος το οποίο παραμετροποιείται. Επιπλέον, ένας μεγάλος αριθμός δεδομένων,τα οποία προέρχονται από μετρήσεις παρατηρήσεις, είναι απαραίτητος για της ακρίβειας των αποτελεσμάτων των μοντέλων και για την εξαγωγή ασφαλών και αξιόπιστων συμπερασμάτων από αυτά. Εικόνα 2.1 : Σχηματική απεικόνιση της δομής και της λειτουργίας ενός κλιματικού μοντέλου. 18

19 2.2 Κατηγορίες κλιματικών μοντέλων Κατά το σχεδιασμό ενός μοντέλου, είναι αναπόφευκτες αρκετές απλοποιήσεις, καθώς οι παράμετροι που προσομοιώνονται διαφέρουν ως προς την τάξη μεγέθους τους, τόσο χωρικά όσο και χρονικά. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η χρονική κλίμακα τυρβωδών στροβιλισμών στην ατμόσφαιρα είναι της τάξης των μερικών δευτερολέπτων ενώ η εξέλιξη του παγκόσμιου κλίματος δεν μπορεί να μελετηθεί σε κλίμακα μικρότερη των δισεκατομμυρίων χρόνων. Έγκειται λοιπόν στην κρίση του μελετητή, ο διαχωρισμός των διεργασιών σε αυτές που πρέπει οπωσδήποτε να συμπεριληφθούν στο σχεδιασμό του μοντέλου και σε αυτές που μπορούν να παραληφθούν χωρίς να επηρεάζουν άμεσα τα τελικά αποτελέσματα. Η επιλογή των παραμέτρων που θα παραληφθούν είναι άμεσα συνδεδεμένη με τους επιστημονικούς σκοπούς για τους οποίους σχεδιάζεται το μοντέλο, αλλά δεν μπορεί να γίνει, χωρίς να ληφθούν υπόψη τα διαθέσιμα τεχνικά και υπολογιστικά χαρακτηριστικά, καθώς τα περισσότερα μοντέλα απαιτούν αρκετά μεγάλη υπολογιστική ισχύ. Για τη μελέτη φαινομένων που αντιστοιχούν σε μεγάλες χρονικές κλίμακες, θεωρείται απαραίτητο να χρησιμοποιούνται απλά μοντέλα που δουλεύουν με μεγάλες ταχύτητες και δίνουν γρήγορα τα αποτελέσματά τους. Επιπλέον, κατά τη μελέτη ενός μηχανισμού ανάδρασης του κλιματικού και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κλιματικών παραμέτρων, θεωρείται σκόπιμος ο σχεδιασμός ενός απλού μοντέλου το οποίο να περιέχει μόνο τα βασικά χαρακτηριστικά του κλίματος, αναγόμενα μάλιστα σε μεγάλες κλίμακες, ώστε να μην επηρεάζονται τα αποτελέσματα από τοπικές ή εποχιακές διακυμάνσεις κ μικρομεταβολλές. Αυτός είναι κ ο βασικότερος λόγος για τον οποίο τα απλούστερα μοντέλα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των αποτελεσμάτων των πολυπλοκότερων. Εκτός από την πολυπλοκότητα και το σχεδιασμό ενός μοντέλου, σημαντική παράμετρος κατηγοριοποίησης αυτών, αποτελεί ο διαχωρισμός τους βάση των μεταβλητών τους, σε αυτές που προσομοιώνονται ως σταθερές, και σε αυτές που εξορισμού τροποποιούνται και μελετώνται μέσα στο μοντέλο. Στην πλειονότητα των μοντέλων, προσομοιώνεται τουλάχιστον η βασική φυσική συμπεριφορά της ατμόσφαιρας, των ωκεανών και των παγετών. Μοντέλα που περιλαμβάνουν περισσότερες λεπτομέρειες για τον κύκλο του άνθρακα (σε ξηρά και θάλασσα), πληροφορίες για τη βλάστηση και την επέμβασής της στους βιογεωχημικούς κύκλους και μικοροφυσικές ιδιότητες του πάγου, απαρτίζουν μια γενική ομάδα μοντέλων τα όποια καλούνται Earth System Models. Μια ακόμη παράμετρος κατηγοριοποίησης των κλιματικών μοντέλων είναι ο αριθμός των δραστηριοτήτων των κλιματικών χαρακτηριστικών που περιγράφονται, σαν συνάρτηση του βαθμού πολυπλοκότητας τους. Θα μπορούσαμε λοιπόν, σύμφωνα με αυτό το κριτήριο, να κατατάξουμε, τα μοντέλα σε τρεις κατηγορίες (Σχήμα 2 : Τύποι κλιματικών μοντέλων) - Μοντέλα Γενικής κυκλοφορίας (Global Circulation Models, GCMs) - Μοντέλα Ενεργειακού Ισοζυγίου (Energy Balance Models, EBMs) - Μοντέλα ενδιάμεσης πολυπλοκότητας (Earth Models of Intermediate Complexity, EMICs) 19

20 Εικόνα 2.2 : Τύποι κλιματικών μοντέλων. Όπως φαίνεται και από την Εικόνα 2.2, τα πλέον πολύπλοκα αλλά και αξιόπιστα μοντέλα ανήκουν στην κατηγορία των μοντέλων Γενικής κυκλοφορίας, τα οποία επιτυγχάνουν την προσομοίωση των σημαντικότερων φυσικών διεργασιών με την βέλτιστη δυνατή χωρική και χρονική ανάλυση. Ο όρος «Μοντέλα Γενικής Κυκλοφορίας», χρησιμοποιήθηκε εύστοχα, καθώς, τα μοντέλα αυτής της κατηγορίας, αρχικά είχαν σχεδιαστεί για την μελέτη της τρισδιάστατης δομής του ανέμου. Σε μια δεύτερη κατηγοριοποίηση, ξεχωρίζουμε τα μοντέλα που αναφέρονται μόνο στην ατμόσφαιρα με τον όρο Atmospheric General Circulation Models από αυτά που αναφέρονται στην κυκλοφορία των ωκεανών σε Ocean General Circulation Models και από τα συζευγμένα (ατμόσφαιρας ωκεανών) Coupled General Circulation Models. Αντίθετα, τα μοντέλα Ενεργειακού Ισοζυγίου (ΕΒΜs ), αποτελούν μια κατηγορία μοντέλων με ιδιαίτερα απλή δομή. Οι βασικές συνιστώσες του κλιματικού συστήματος προσομοιώνονται με αρκετές παραμετροποιήσεις, ενώ οι κύριες μεταβλητές εμφανίζονται ως χωρικές ή χρονικές μέσες τιμές, με μικρό αριθμό βαθμών ελευθερίας. Τέλος, τα μοντέλα ενδιάμεσης πολυπλοκότητας, όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, αποτελούν μια ενδιάμεση κατηγορία, καθώς αναπαριστούν με περισσότερες λεπτομέρειες το κλιματικό σύστημα, αλλά συμπεριλαμβάνουν αρκετές απλουστεύσεις και παραμετροποιήσεις κατά τη διαδικασία εξαγωγής αποτελεσμάτων. Ωστόσο, κρίνεται σκόπιμο να αναφερθεί ότι τα μοντέλα όλων των κατηγοριών μπορούν να παρέχουν σωστές και χρήσιμες πληροφορίες για το κλίμα, αρκεί να χρησιμοποιηθούν βάση λειτουργικότητας και σκοπιμότητας της έρευνας. Τέλος, η ασφαλέστερη μέθοδος για την εξαγωγή αξιόπιστων αποτελεσμάτων, θεωρείται ότι είναι η σύγκριση αποτελεσμάτων από διαφορετικά μοντέλα, για την απόκτηση μιας πλήρους εικόνας ενός φαινομένου ή μιας διεργασίας. 20

21 2.3 CMIP5 - Σύγκριση των δραστηριοτήτων των συζευγμένων κλιματικών μοντέλων φάση 5 ( Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 ) Το Πρόγραμμα του CMIP5 αποτελεί μια προσπάθεια συγκριτικής μελέτης των μοντέλων που χρησιμοποιούν «συζευγμένες» παραμέτρους ατμοσφαιρικών και ωκεάνιων διεργασιών, έχοντας πάντα, έναν κοινό άξονα αναφοράς. Η συγκεκριμένη ιδέα μελέτης, κοινοποιήθηκε το Σεπτέμβριο του 2008 από μια ομάδα 20 φορέων σχεδιασμού κλιματικών μοντέλων (γνωστή και ως Working Group on Coupled Modelling [WGCM]). Η ομάδα χρησιμοποίησε τα δεδομένα του προγράμματος IGBP AIMES (International Geosphere Biosphere Program), με στόχο να προωθήσει μια «συλλογή» πειραμάτων και προσομοιώσεων κοινού πλέγματος. Στόχος του προγράμματος (CMIP5) είναι να παρέχει ένα πλαίσιο για την κατανόηση των κλιματικών μεταβολών, έτσι όπως αυτές περιγράφονται και ορίζονται στην Πέμπτη Έκθεση Αξιολόγησης για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC AR 5, Assessment Report 5). Δημιουργήθηκε λοιπόν μια συναινετική πρόταση σχεδιασμού κλιματικών προσομοιώσεων, οι οποίες έχουν σαν στόχο την βαθύτερη κατανόηση των παρελθοντικών αλλά και την εκτίμηση των μελλοντικών κλιματικών μεταβολών. Η Πέμπτη Φάση του προγράμματος (CMIP5) αποτελεί μια συνέχεια της Τρίτης Φάσης (CMIP3), η οποία περιελάμβανε «ρεαλιστικά» σενάρια για εξαναγκασμούς τόσο του παρελθόντος, όσο και του παρόντος, σύμφωνα πάντα με την Τέταρτη Έκθεση Αξιολόγησης για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC AR4). Με δεδομένα από διαφορετικές ομάδες της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας, το πρόγραμμα του CMIP5 παρέχει ένα πλαίσιο για συντονισμένη δράση και έρευνα, με στόχο την βαθύτερη κατανόηση του μηχανισμού απόκρισης του γήινου συστήματος στην παρατηρούμενη κλιματική αλλαγή. Στο πρόγραμμα συμμετέχουν πάνω από 20 ομάδες σχεδιασμού κλιματικών μοντέλων με περισσότερα από 50 κλιματικά μοντέλα να «τρέχουν» προσομοιώσεις σχεδιασμένες με βάση τις «επιταγές» του προγράμματος. Έτσι σε αυτά τα πλαίσια λειτουργίας, και για την αποφυγή πολύπλοκων διαδικασιών, δεν κρίθηκε σκόπιμο να συμπεριληφθούν όλα τα υπάρχοντα κλιματικά μοντέλα, λόγω της πληθώρας ανόμοιων και περίπλοκων δεδομένων. Ωστόσο, υπάρχει η δυνατότητα επικοινωνίας με την επιστημονική κοινότητα, για τη συνεργασία και τη δημιουργία επιπλέον πειραμάτων και προσομοιώσεων, με στόχο την βελτίωση των αποτελεσμάτων του προγράμματος. Το πρόγραμμα παρέχει μια συγκεκριμένη ομάδα προσομοιώσεων με σκοπό : την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των διαφορετικών μοντέλων για την εκτίμηση των παροντικών κλιματικών συνθηκών την παροχή εκτιμήσεων για κλιματικές αλλαγές σε βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη μελλοντική κλίμακα. τέλος, την κατανόηση εκείνων των παραγόντων οι οποίοι ευθύνονται για τις διαφορές στα αποτελέσματα των μοντέλων, συμπεριλαμβανομένων και κάποιων μηχανισμών αλληλεπίδρασης, όπως παραδείγματος χάριν αυτού του κύκλου του άνθρακα με τα νέφη. Κατά κύριο λόγο τα πειράματα διακρίνονται σε δυο κατηγορίες ως προς τη χρονική περίοδο που καλύπτουν: - στις βραχυχρόνιες προσομοιώσεις, με χρονική διάρκεια από 10 έως 30 έτη, στις οποίες λαμβάνονται πραγματικές μετρήσεις και όχι διαδραστικοί ωκεανοί, και - στις μακροχρόνιες, οι οποίες καλύπτουν χρονικές περιόδους εκατονταετιών, και ως αρχικές συνθήκες λαμβάνουν αποτελέσματα μοντέλων με σύζευξη ωκεανού ατμόσφαιρας (AOGCMs) ίσως και με τον κύκλο του άνθρακα. 21

22 Ωστόσο κάποιες ομάδες μπορεί να χρησιμοποιούν προσομοιώσεις με υψηλή ανάλυση για την ατμόσφαιρα ή τις χημικές ατμοσφαιρικές διεργασίες. Στις περιπτώσεις που η υπολογιστή διαθέσιμη ισχύ δεν επαρκεί για την πλήρως συζευγμένη προσομοίωση, τότε υπάρχει η δυνατότητα καταμερισμού του χρόνου, με μια ομάδα πειραμάτων γνωστή και ως time slice experiments τόσο για τις παροντικές, όσο και για τις μελλοντικές εκτιμήσεις ( ). Στα πειράματα αυτής της κατηγορίας, επιβάλλονται ως εξαναγκασμοί οι μεταβολές στη θερμοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας και των πάγων, οι οποίοι υπολογίζονται από ένα πλήρως συζευγμένο μοντέλο γενικής κυκλοφορίας, με σύζευξη ατμόσφαιρας ωκεανών. Λόγω του μεγάλου αριθμού των προσομοιώσεων των μοντέλων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα (CMIP5), τα πειράματα και των δυο προαναφερθέντων κατηγοριών ομαδοποιούνται σε ένα «πυρήνα» (core), στο οποίο συμμετέχουν όλες οι ομάδες κλιματικών μοντέλων, και σε μια ή δύο επιμέρους «εστίες» (tier) (Εικόνα 2.3). Τα πειράματα της πρώτης ομάδας εξετάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των κλιματικών εξαναγκασμών, των αποκρίσεων των μοντέλων και των διεργασιών που αυτά περιλαμβάνουν, ενώ τα πειράματα της δεύτερης ομάδας δίνουν μεγαλύτερη έμφαση σε όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Θα μπορούσαμε λοιπόν να πούμε ότι υπάρχει μια συνέχεια στη μετάβαση από την πρώτη ομάδα πειραμάτων στη δεύτερη ώστε να μελετηθούν με καλύτερη ακρίβεια οι πολύπλοκες διεργασίες απόκρισης του κλιματικού συστήματος. Εικόνα 2.3: Σχηματική απεικόνιση κατηγοριοποίησης των πειραμάτων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα [Taylor et. al] Στα πλαίσια μιας αξιόπιστης επιστημονικής μελέτης, συνιστάται σε όλες τις ερευνητικές μονάδες σχεδιασμού κλιματικών μοντέλων να χρησιμοποιούν κατά το δυνατόν κοινούς εξαναγκασμούς και οριακές συνθήκες (boundary conditions). Στην ηλεκτρονική διεύθυνση του προγράμματος ( είναι διαθέσιμα δεδομένα για τους εξαναγκασμούς που αναφέρονται: - Στην ηλιακή δραστηριότητα - Στην συγκέντρωση του όζοντος - Στις συγκεντρώσεις των θερμοκηπικών αερίων και των αιωρούμενων σωματιδίων - Σε πληροφορίες για τη χρήση γης ανά τους αιώνες - Στην επιφανειακή θερμοκρασία των ωκεανών και στη φυσική κατάσταση των πάγων που καλύπτουν τις πολικές περιοχές Οι παραπάνω συλλογές δεδομένων καλύπτουν χρονικά την περίοδο από το 1850 έως και το 2100, ώστε να συμβαδίζουν με τις τρεις γενικές περιόδους μελέτης του προγράμματος ( προβιομηχανική εποχή [preindustrial], ιστορικά μεταβιομηχανική εποχή [historical 22

23 postindustrial] και μελλοντική εποχή [future scenario]). Αξίζει να σημειωθεί ότι από τις παραπάνω συλλογές δεδομένων απουσιάζουν πληροφορίες για τα φυσικώς εκπεμπόμενα και ηφαιστειακά αιωρούμενα σωματίδια (natural aerosols), γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αξιοσημείωτες διαφορές στα αποτελέσματα των μοντέλων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα. 2.4 Περιγραφή πειραμάτων και προσομοιώσεων Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασία θα ασχοληθούμε με τα αποτελέσματα των μοντέλων τα οποία έχουν προκύψει από συγκεκριμένα πειράματα και προσομοιώσεις. Για το σκοπό αυτό γίνεται μια περιληπτική περιγραφή αυτών των πειραμάτων, τα οποία συνοπτικά θα μπορούσαμε να κατατάξουμε στις εξής κατηγορίες: Α) Historical experiments B) AMIP Γ) RCP Historical experiments: Τα πειράματα αυτής της κατηγορίας καλύπτουν χρονικά την περίοδο από τα μέσα του 19 ου αιώνα (1850) μέχρι και το έτος 2005 και περιλαμβάνουν ένα περιεκτικό σύνολο δεδομένων τα οποία αναφέρονται σε ανθρωπογενής εκπομπές, χρήσεις γης και μεταβολές αυτών των δυο παραμέτρων, με στόχο τη δημιουργία κοινών χρονοσειρών εξαναγκασμών για όλα τα μοντέλα που συμμετέχουν στο πρόγραμμα. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, από τις χρονοσειρές απουσιάζουν τα φυσικώς εκπεμπόμενα αεροζόλ, η παραμετροποίηση των οποίων διαφέρει από μοντέλο σε μοντέλο. Στα μοντέλα που δεν συμπεριλαμβάνουν διαδραστικούς βιογεωχημικούς κύκλους (AOGCMs), οι εξαναγκασμοί αυτοί επιβάλλονται στο μοντέλο με τη μορφή συγκεντρώσεων. Οι συγκεντρώσεις των θερμοκηπικών αερίων συμπεριλαμβάνουν τα στοιχεία CO 2, CH 4, N 2 O καθώς επίσης και όλα τα φθοριούχα αέρια (CFCs, HFCs, PFCs, SF6, CCl4 κ.α.) που προσδιορίζονται ως καταστρεπτικά για το στρατοσφαιρικό όζο από το Πρωτόκολλο του Κιότο. Οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων αναφέρονται στις ενώσεις των οξειδίων του θείου (SO 4 ), νιτρικού αμμωνίου (NH 4 NO 3 ), σωματιδίων οργανικού και ανόργανου άνθρακα, και σε τέσσερις κατηγορίες διαφορετικού μεγέθους σωματιδίων σκόνης και θαλάσσιου άλατος. Τα μοντέλα που ανήκουν στην κατηγορία των ESMs (Earth System Models) και περιλαμβάνουν διαδραστικούς βιογεωχημικούς κύκλους, οι εξαναγκασμοί αφενός επιβάλλονται στο μοντέλο με τη μορφή συγκεντρώσεων, αφετέρου προσδιορίζονται με τη μορφή εκπομπών ώστε να διαχωρίζονται οι φυσικές από τις ανθρωπογενείς εκπομπές CO 2. Αυτές οι εκπομπές περιλαμβάνουν χρονικά και χωρικά μεταβαλλόμενες συγκεντρώσεις των προαναφερθέντων στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων και οργανικών πτητικών ενώσεων (VOCs). Για μοντέλα που συνυπολογίζουν την καύση βιομάζας στις χημικές προσομοιώσεις τους προσθέτονται συγκεντρώσεις επιπλέον οργανικών ενώσεων. Για τις χρήσης γης και τις μεταβολές αυτής, λαμβάνονται υπόψη η χρονική εξέλιξη της αγροτικής δραστηριότητας, με όρους συγκέντρωσης ύδατος σε καλλιεργήσιμες περιοχές, βοσκοτόπους, καθώς επίσης και οι επιπτώσεις της υλοτόμησης και της αστικοποίησης (Hurtt et al., 2009).Οι εκπομπές που αναφέρονται στις αλλαγές χρήσης γης, αναδομούνται εμπειρικά με βάση τις δασικές και όχι μόνο πυρκαγιές και αναφέρονται σε οργανικές (πτητικές και μη) ενώσεις, καθώς επίσης και σε εκπομπές που προέρχονται από θαλάσσιες και αεροπορικές μεταφορές. 23

24 Όσον αφορά τους φυσικούς εξαναγκασμούς, βασικότερος όλων είναι η ηλιακή ακτινοβολία, η οποία συμπεριλαμβάνεται σε όλα τα μοντέλα με τη μορφή χρονοσειρών ολικής ηλιακής ακτινοβολίας αλλά και με τη μορφή ηλιακών φασμάτων. Τα δεδομένα αφορούν την ανακατασκευή μιας πλήρους χρονοσειράς που καλύπτει τη χρονική περίοδο από το 1850 έως το 2008 και περιλαμβάνει τον ηλιακό κύκλο και την κοσμική ακτινοβολία, σύμφωνα με παρατηρήσεις των ηλιακών κηλίδων και εκλάμψεων, από επίγειες αλλά και από δορυφορικές μετρήσεις. Αντίθετα, οι ηφαιστειακές εκρήξεις λαμβάνονται υπόψη από κάθε μοντέλο με διαφορετικό τρόπο. Υπάρχουν διαθέσιμες χρονοσειρές δεδομένων συγκεντρώσεις για τα στρατοσφαιρικά αεροζόλ, αλλά ακόμη και σε αυτές τις χρονοσειρές δεν συμπεριλαμβάνονται δεδομένα για ηφαιστειακές εκρήξεις μετά το Με τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων μπορούμε αρχικά να αξιολογήσουμε την απόκριση κάθε μοντέλου στις εγγύς παρελθοντικές μεταβολές κάνοντας σύγκριση με τα διαθέσιμα κλιματικά δεδομένα. Επίσης, μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να εκτιμήσουμε το αποτύπωμα της ανθρωπογενούς δραστηριότητας στην κλιματική αλλαγή. Επιπλέον, μπορούμε να λάβουμε τα αποτελέσματα αυτών των προσομοιώσεων, ως αρχικές συνθήκες για τις προσομοιώσεις μελλοντικών εκτιμήσεων AMIP (Atmospheric Model Intercomparison Program): Οι προσομοιώσεις οι οποίες είναι γνωστές με τα αρχικά AMIP, καλύπτουν χρονικά τα έτη Σε αυτές τις προσομοιώσεις, η πραγματική (μετρήσιμη) επιφανειακή θερμοκρασία των θαλασσών και των πάγων, επιβάλλονται στο μοντέλο ως αρχικές οριακές συνθήκες (και δεν υπολογίζονται από συζευγμένο μοντέλο) και αυτή η παράμετρος αποτελεί την βασική διαφορά τους από τα «ιστορικά» (historical) πειράματα. Το φυσικό κλιματικό σύστημα που μελετάται, συμπεριλαμβανομένων των ωκεανών και των πάγων, προσαρμόζεται πλήρως στο συζευγμένο κύκλο του άνθρακα. Με τα πειράματα αυτός της κατηγορίας και τα αποτελέσματά τους έχουμε τη δυνατότητα να εκτιμήσουμε την απόκριση των ατμοσφαιρικών μοντέλων απουσία σύζευξης ωκεανών καθώς επίσης και να καθορίσουμε το βαθμό αβεβαιότητας στα αποτελέσματα των συζευγμένων μοντέλων, έπειτα από σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοντέλων των δυο κατηγοριών RCP4.5: Τα πειράματα αυτής της κατηγορίας ανήκουν σε μια ευρύτερη οικογένεια πειραμάτων γνωστή με το ακρωνύμιο RCPs (Representative Concentration Pathways) η οποία αναφέρεται σε τέσσερα μελλοντικά σενάρια εκτίμησης της συγκέντρωσης των θερμοκηπικών αερίων (GreenHouse Gases GHGs) στην ατμόσφαιρα σύμφωνα με την Πέμπτη Έκθεση Αξιολόγησης για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC AR5). Τα τέσσερα αυτά σενάρια περιγράφουν πιθανές μεταβολές στις εκπομπές θερμοκηπικών αερίων και στη συμβολή αυτών στην κλιματική αλλαγή. Στα υποθετικά αυτά σενάρια δεν λαμβάνονται υπόψη φυσικές μεταβολές, όπως η μεταβολές της ηλιακής δραστηριότητας, ή μη αναμενόμενες φυσικές εκπομπές όπως η έκρηξη ενός ηφαιστείου. Τα ονόματα των επιμέρους πειραμάτων (RCP2.6, RCP4.5, RCP6, και RCP8.5) καθορίστηκαν από την πιθανή μεταβολή στην επιβαλλόμενη ακτινοβολία (radiative forcing) με τιμές αναφοράς τις τιμές του έτους 2100, σε σύγκριση με αυτές της προ- βιομηχανικής περιόδου (+2.6, +4.5, +6.0 και +8.5 W/m 2 αντίστοιχα). Τα πειράματα αυτά συμπεριλαμβάνουν αρκετά αξιόπιστες προβλέψεις για τις μελλοντικές ανθρωπογενής εκπομπές των θερμοκηπικών αερίων (GHGs). Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η πιθανή πορεία της συγκέντρωσης αυτών των αερίων στην ατμόσφαιρα. Πιο συγκεκριμένα το RCP2.6 προβλέπει ότι η παγκόσμια εκπομπή θερμοκηπικών αερίων θα 24

25 λάβει τη μέγιστη τιμή της τη χρονική περίοδο , ενώ έπειτα θα παρατηρηθεί σταδιακή μείωση. Το σενάριο RCP4.5 μεγιστοποιεί τη συγκέντρωση γύρω στο έτος 2040 ενώ το σενάριο RCP6 γύρω στο Το πιο ακραίο σενάριο (RCP8.5) προβλέπει αύξηση της συγκέντρωσης καθ όλη τη διάρκεια του 21ου αιώνα. Το σενάριο RCP4.5 επιλέγεται ως το «κεντρικό» σενάριο, αν και για τα πειράματα εκτίμησης σε κλίμακα δεκαετίας, δεν εμφανίζονται σημαντικές διαφορές σε όλα τα μελλοντικά σενάρια (RCPs). Εικόνα 2.4 : Πιθανές μεταβολές στη συγκέντρωση του CO 2, σύμφωνα με το IPCC AR5 Πίνακας 2.5 Future climate projections with models forced by RCPs concentrations 25

26 2.5 Τα μοντέλα της Διπλωματικής Στα πλαίσια μελέτης της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από μια μικρή λίστα μοντέλων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα CMIP5. Πριν από οποιαδήποτε άλλη εργασία, συγκεντρώθηκαν πληροφορίες για όλα τα μοντέλα που τα αποτελέσματα τους προέρχονται από τις ομάδες πειραμάτων που αναφέρονται παραπάνω (historical, RCP4.5). Έτσι δημιουργήθηκε μια λίστα με τα μοντέλα που ικανοποιούν τα παρακάτω κριτήρια : Α) συμμετοχή στο πρόγραμμα CMIP5 Β) προσομοιώσεις πειράματα : historical, RCP4.5 Γ) αποτελέσματα σε μηνιαία χρονική κλίματα (μέσες μηνιαίες τιμές) Δ) διαθέσιμες μεταβλητές : «Surface Downwelling Shortwave Radiation (rsds)» και «Surface Downwelling Clear Sky Shortwave Radiation (rsdscs)». Ολόκληρη η λίστα παρουσιάζεται στο Παράρτημα. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι στη λίστα φαίνεται το όνομα του κάθε μοντέλου, ο αριθμός ensemble, οι εξαναγκασμοί που επιβάλλονται στο μοντέλο, η ημερομηνίας πρώτης και τελευταίας προσομοίωσης καθώς επίσης και η ημερομηνία τελευταίας έκδοσης. Επιπλέον κριτήρια επιλογής των μοντέλων μελέτης κρίθηκε η ικανοποιητική χωρική ανάλυσή αυτών καθώς επίσης και η διαθεσιμότητα δεδομένων σε «ensemble number 1» (r1ip-). Σε περίπτωση μη ικανοποίησης του τελευταίου κριτηρίου, κρίθηκε σκόπιμο να χρησιμοποιηθούν αποτελέσματα μοντέλων που έχουν προκύψει από κοινό αριθμό ensemble για τα historical και RCP experiments, με σκοπό να μην διακόπτεται η συνέχεια και η συνέπεια των δεδομένων κατά την «ένωση» (merge) χρονοσειρών. Μοντέλα που ικανοποιούν όλα τα παραπάνω κριτήρια και τα αποτελέσματα τους χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία είναι τα εξής : ΚΛΙΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ 1) bcc-csm1-1m 11) HadGEM2-ES 2) BNU-ESM 12) IPSL-CM5A-MR 3) CanESM2 13) IPSL-CM5B-LR 4) CCSM4 14) MIROC-ESM CHEM 5) CESM1-BGC 15) MIROC ESM 6) CESM1 CAM5 16) MIROC5 7) CESM1 WACCM 17) MPI- ESM- LR 8) CSIRO-Mk ) MPI- ESM MR 9) FIO ESM 19) MRI CGCM3 10) GISS-E2-H-CC 20) NorESM1-ME Πίνακας 2.6 : Τα μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία. Τα περισσότερα μοντέλα ξεκινούν τις προσομοιώσεις τους από το έτος Εξαίρεση αποτελούν τα μοντέλα CESM1 WACCM και HadGEM2-ES με έτη έναρξης το 1956 και το 1859 αντίστοιχα. Η συμμετοχή των παραπάνω κλιματικών μοντέλων στην ομάδα του CMIP5, εξασφαλίζει την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων τους, και δεν κρίνεται σκόπιμο να δοθεί μεγαλύτερη έκταση και λεπτομερής περιγραφή για κάθε μοντέλο ξεχωριστά λόγω του μεγάλου όγκου πληροφοριών που θα προέκυπτε. Ωστόσο υπάρχει λεπτομερέστατη διαθέσιμη βιβλιογραφία για κάθε μοντέλο, με αναλυτική περιγραφή όλων των δεδομένων εισόδου και κάθε δραστηριότητας και σύζευξης του κάθε κλιματικού μοντέλου με όποια παράμετρο είναι απαραίτητη για την διεξαγωγή αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων. 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ 27

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 3.1 Εισαγωγή: Η επιστήμη παρατήρησης φαινομένων από απόσταση ονομάζεται τηλεπισκόπιση (remote sensing) και περιλαμβάνει ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, τεχνικών ή φυσικών, όπως για παράδειγμα την ανθρώπινη όραση. Στην πραγματικότητα, σήμερα με τον όρο «τηλεπισκόπηση» εννοούμε «την επιστήμη και την τεχνολογία παρατήρησης και μελέτης των χαρακτηριστικών της γήινης επιφάνειας από απόσταση, βάσει της αλληλεπίδρασης των υλικών που βρίσκονται επάνω σε αυτή με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία». Η τηλεπισκόπιση αυτής της μορφής χρησιμοποιείται κυρίως από το 1979 και έπειτα για την παρατήρηση της Γης από το διάστημα, με τη βοήθεια δορυφόρων (πλατφόρμες) που έχουν τεθεί σε τροχιά γύρω από τη Γή και όχι μόνο. Στην πράξη χρησιμοποιούμε τα επιτεύγματα της τηλεπισκόπησης τόσο στην καθημερινή μας ζωή όσο και σε πολύ εξειδικευμένα επιστημονικά πεδία. Για παράδειγμα, η καθημερινή πρόγνωση του καιρού γίνεται αξιοποιώντας δεδομένα από μετεωρολογικούς δορυφόρους, η παγκόσμια κλιματική αλλαγή τεκμηριώνεται με τη χρήση δορυφόρων που παρακολουθούν τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του πλανήτη ενώ το βαρυτικό πεδίο της Γης χαρτογραφείται με εξειδικευμένα δορυφορικά ζεύγη. Η παρατήρηση της επιφάνειας της Γης είναι δυνατή με τη χρήση ψηφιακών σαρωτών (τηλεπισκοπικών ανιχνευτών) που ανιχνεύουν την ανάκλαση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της γήινης επιφάνειας και την αποδίδουν ως ψηφιακή εικόνα. Οι σαρωτές μπορεί να είναι εγκατεστημένοι σε τεχνητούς δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη ή να βρίσκονται σε αερομεταφερόμενα μέσα (αεροσκάφη, ελικόπτερα). Η δορυφορική τηλεπισκόπηση λοιπόν, είναι καταλυτικός παράγοντας για τη μελέτη της ατμόσφαιρας. Η δορυφορική κάλυψη της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας της γης επιτυγχάνεται με πλήθος δορυφόρων που καθένας απ' αυτούς έχει σκοπό την παρακολούθηση συγκεκριμένων παραμέτρων (μετεωρολογικοί, περιβαλλοντικοί, πλουτοπαραγωγικοί, ερευνητικοί). Οι δορυφόροι των οποίων οι καταγραφές χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε μεγάλη χωροχρονική κλίμακα στη μελέτη της ατμόσφαιρας και του κλίματος είναι οι πολικής τροχιάς περιβαλλοντικοί δορυφόροι NOAA (National Ocanic and Atmospheric Administration) και οι γεωστάσιμοι δορυφόροι METEOSAT (Meteorological Satellite) και GOES (Geostationary Operational Environmental Satellites). 28

29 3.2 Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Εκμετάλλευσης Μετεωρολογικών Δορυφορικών Δεδομένων (Τhe European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites [EUMETSAT]) Ο ΕUMETSAT είναι ένας διακυβερνητικός οργανισμός, ο οποίος ιδρύθηκε το 1986 με στόχο να παρέχει στα μέλη του μετεωρολογικά και κλιματικά δεδομένα που προέρχονται από δορυφορικές παρατηρήσεις σε συνεχόμενη βάση και με συνεχή ροή. Μέχρι στιγμής, η «κοινότητα» απαρτίζεται από 30 μέλη κράτη της Ευρωπαϊκής ένωσης, αλλά τα δεδομένα του προγράμματος είναι διαθέσιμα και σε ιδιώτες χρήστες ανά τον κόσμο. Παρέχεται από τον οργανισμό πλήρης ελευθερία στη χρήση των δεδομένων, καθώς επίσης είναι επιθυμητή η συμμετοχή των μελών στην διοικητική οργάνωση του οργανισμού. Η χώρα μας συμμετέχει στον οργανισμό από το έτος δημιουργίας του (1986). Ο κυριότερος στόχος του οργανισμού είναι η παρακολούθηση του καιρού, του κλίματος και του περιβάλλοντος, με την ευρύτερη έννοια αυτού. Έτσι, σε αυτά τα πλαίσια λειτουργίας, ο οργανισμός διαχειρίζεται ένα σύστημα μετεωρολογικών δορυφόρων οι οποίοι παρακολουθούν την ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς ανελλιπώς (σε 24ωρη και ετήσια βάση) και αποστέλλουν τα δεδομένα αυτών στις Εθνικές Μετεωρολογικές υπηρεσίες των κρατών μελών στην Ευρώπη, αλλά και σε άλλους χρήστες ανά τον κόσμο. Τα προϊόντα του οργανισμού χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομής παροχής υπηρεσιών από τα κράτη μέλη, όπως στην πρόγνωση του καιρού, στην πρόγνωση πιθανών επικίνδυνων καιρικών φαινομένων, στην ενημέρωση της πολιτείας και των αρχών για την καλύτερη διαχείριση έκτακτων συνθηκών. Αυτές οι πληροφορίες είναι επίσης ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια των αεροπορικών ταξιδιών, τη ναυτιλία και την οδική κυκλοφορία, και στις καθημερινές γεωργικές, κατασκευαστικές και άλλες βιομηχανικές δραστηριότητες. Κυριότερος στόχος του οργανισμού είναι η συντονισμένη λειτουργία του δικτύου γεωστατικών και χαμηλής τροχιάς δορυφόρων για την πρόγνωση του καιρού και την παρατήρηση του κλίματος. Έτσι λοιπόν, τα προγράμματα του EUMETSAT και οι συνεργαζόμενοι φορείς ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις του Ευρωπαϊκού Μετεωρολογικού Οργανισμού με δορυφορικές παρατηρήσεις της ατμοσφαίρας, της επιφάνειας της γης, των ωκεανών και της κρυόσφαιρας, προς υποστήριξη των παροντικών συνθηκών και μεσοπρόθεσμων προβλέψεων. Για την παρακολούθηση του κλιματικού συστήματος, στο σύνολο του, οι απαιτήσεις των κρατών μελών εκφράζονται από το Παγκόσμιο Κλιματικό Σύστημα Παρατήρησης (Global Climate Observing System), και παρέχονται με τη μορφή εκτεταμένων χρονοσειρών δορυφορικών παρατηρήσεων. Κύριο προϊόν αυτής της κατηγορίας προέρχεται από το σύστημα Αξιοποίησης Δορυφορικών Δεδομένων για την παρακολούθηση του Κλίματος (Satellite Application Facilities SAF), εκτενής περιγραφή του οποίου γίνεται παρακάτω. 29

30 3.3 Αξιοποίηση Δορυφορικών Δεδομένων για την παρακολούθηση του Κλίματος (The Satellite Application Facility on Climate Monitoring [CM SAF]) Η δομή του οργανισμού Η δορυφορική τηλεπισκόπιση από δορυφόρους που παρέχουν παγκόσμια και συνεχόμενη κάλυψη, αποτελεί πλέον το χρησιμότερο εργαλείο για την κατανόηση και αρχειοθέτηση των μεταβολών του κλιματικού συστήματος καθώς η κλιματική αλλαγή, τα τελευταία χρόνια, έχει επιπτώσεις σε όλα τα φυσικά και ανθρωποκεντρικά οικοσυστήματα σε όλο τον πλανήτη. Για την ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής απαιτούνται μακροχρόνιες και συνεπής παρατηρήσεις του συστήματος γης ατμόσφαιρας. Η μελέτη του κλίματος με αξιόπιστα δεδομένα, μπορεί να βοηθήσει στην εκτίμηση μελλοντικών αλλαγών και στην ποσοτικοποίησης της ανοχής του κλιματικού μηχανισμού στη συνεχόμενη ανθρωπογενή επέμβαση. Η δημιουργία μελλοντικών υποθέσεων συμβάλλει στην οργάνωση εκστρατειών προστασίας του περιβάλλοντος, με σκοπό την εξασφάλιση βιώσιμων συνθηκών στον πλανήτη για τις επόμενες γενιές. Το πρόγραμμα Αξιοποίησης Δορυφορικών Δεδομένων για την Παρακολούθηση του κλίματος (CM SAF) υπάγεται στον Ευρωπαϊκό οργανισμό EUMETSAT και αποτελείται από ένα δίκτυο έξι Ευρωπαϊκών Εθνικών Μετεωρολογικών και Υδρολογικών Οργανισμών. Τo πρόγραμμα παρέχει : Δορυφορικά δεδομένα οποιασδήποτε χρησιμότητας Υποστηρικτικές μελέτες για κλιματικές τάσεις και στατιστικές αναλύσεις μεταβλητότητας ορισμένων κλιματικών παραγόντων Δεδομένα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα κλιματικά μοντέλα για την αξιολόγησής τους Εικόνα 3.1: Ο ρόλος του προγράμματος στην παρακολούθηση του κλίματος και η συμβολή στην επιστημονική έρευνα (πηγή: 30

31 Στόχος του προγράμματος είναι παροχή γεωφυσικών δορυφορικών δεδομένων, όπως αυτά ορίζονται από τον Διεθνή Οργανισμό Παρατήρησης του κλίματος (Global Climate Observing System) σε συνεργασία με τη Σύμβαση των Ηνωμένων Εθνών για την Κλιματική Αλλαγή (United Nations Framework Convention on Climate Change [UNFCCC]). Βασικά προϊόντα του προγράμματος είναι η ανακλαστικότητα του εδάφους, ροές ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης και στο άνω όριο της ατμόσφαιρας, παράμετροι που αφορούν τα νέφη, η θερμοκρασία και το ποσοστό υγρασίας της ατμόσφαιρας κ.α., τα οποία διαχωρίζονται σε δύο ομάδες. Στην πρώτη ανήκουν δεδομένα τα οποία αποκτούνται σε πραγματικό χρόνο (near real time data) ενώ στη δεύτερη ανήκουν δεδομένα τα οποία προκύπτουν έπειτα από επιμελή βαθμονόμηση δεδομένων ακτινοβολίας (intercalibrated radiances). Τα δεδομένα προέρχονται από όργανα μέτρησης τα οποία βρίσκονται σε πλατφόρμες γεωστατικών και πολικής τροχιάς δορυφόρων. Οι χρονοσειρές ανανεώνονται συνεχώς με μετρήσεις από το νέο Μετεωρολογικό Δορυφόρο (EUMETSAT Meteorological Operational satellite (MetOP)) και επικυρώνονται βάση επίγειων μετρήσεων. Ο κεντρικός στόχος της δεύτερης φάσης του προγράμματος (2nd Continuous Development and Operations Phase of the CM SAF ( )) είναι η βελτιστοποίηση των δεδομένων με στόχο τον υπολογισμό της ετήσιας εσωτερικής μεταβλητότητας του κλίματος και των παραγόντων που την επηρεάζουν Δορυφόροι και όργανα μέτρησης Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία ανακτήθηκαν από γεωστάσιμους δορυφόρους της οικογένειας δορυφόρων Meteosat. Οι εν λειτουργία δορυφόροι της οικογένειας Meteosat ανήκουν σε δύο υποκατηγορίες, τους δορυφόρους πρώτης γενιάς (Meteosat First Generation (MFG)) και τους δορυφόρους δεύτερης γενιάς (Meteosat Second Generation (MSG)) και σαρώνουν συνολικά το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας της γης. Πιο συγκεκριμένα οι δορυφόροι Meteosat-7, -8, -9 και -10 βρίσκονται σε γεωστατική τροχιά km πάνω από τον ισημερινό και καλύπτουν γεωγραφικά την Ευρώπη και την Αφρική. Όταν ένας δορυφόρος βρίσκεται σε γεωστατική τροχιά, περιστρέφεται αριστερόστροφα εκτελώντας 100 περιστροφές το λεπτό γύρω από τον επιμήκη άξονά του, ο οποίος είναι ευθυγραμμισμένος με τον άξονα περιστροφής της Γης. Λεπτομερέστερα, όσον αφορά στο σκάφος των Δορυφόρων Δεύτερης Γενιάς (MSG), αυτό είναι ένα ηλιακό «τύμπανο» (solar drum) κυλινδρικού σχήματος, διαμέτρου 3.2 m και ύψους 2.4 m. Όλο το σκάφος είναι δομημένο γύρω από τρείς βασικούς άξονες: - Το όργανο «Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI)» και το ραδιόμετρο «GERB» στον κεντρικό κορμό. - Κεραίες και αναμεταδότες πληροφοριών στο ανώτερο τμήμα. - Τα υποσυστήματα στήριξης της πλατφόρμας στο κατώτερο τμήμα. Επίσης, στο κατώτερο τμήμα του σκάφους υπάρχει το σύστημα προώθησης, για την αρχική εκτόξευση του δορυφόρου και την διατήρηση σου στο σωστό ύψος τροχιάς. Οι ηλιακοί συλλέκτες που περιβάλλον το σώμα του δορυφόρου έχουν κυλινδρικό σχήμα. Το ωφέλιμο φορτίο του δορυφόρου έχει σχεδιαστεί με στόχο να παρέχει μόνιμη ορατή και υπέρυθρη απεικόνιση του δίσκου της Γης με περίοδο επανάληψης τα 15 λεπτά, υψηλής Ανάλυσης ορατή απεικόνιση του μισού δίσκου της Γης και αναμετάδοση δεδομένων και άλλων πληροφοριών. Τα σημαντικότερα όργανα μετρήσεων που φέρουν στο σκάφος τους είναι το ραδιόμετρο οπτικής απεικόνισης SEVIRΙ (Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager ), 31

32 το οποίο «παρατηρεί» τη γη με 12 φασματικά κανάλια, και το ραδιόμετρο ορατής υπέρυθρης GERB (Geostationary Earth Radiation Budget) το οποίο παρέχει κυρίως δεδομένα ακτινοβολίας. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τους δορυφόρους αποστέλλονται σε πραγματικό χρόνο στον Κύριο Επίγειο Σταθμό Υποστήριξης ( Primary Ground Station PGS) ο οποίος βρίσκεται στην πόλη Usingen της Γερμανίας, στα 30 km βόρεια της Φρανκφούρτης. Ο Επίγειος σταθμός υποστήριξης του Meteosat -7 βρίσκεται στην πόλη Fucino της Ιταλίας. 3.4 Περιγραφή δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούνται δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας τα οποία αποκτήθηκαν από τους δορυφόρους και τα όργανα μέτρησης που περιγράφηκαν παραπάνω. Τα δεδομένα είναι διαθέσιμα στο ευρύ κοινό μέσω της ιστοσελίδας : στην οποία υπάρχει μια μηχανή αναζήτησης με επεξηγηματικό προς το χρήστη περιβάλλον (Εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2 : Προσαρμοσμένη αναζήτηση αρχείων Όπως βλέπουμε και στην Εικόνα 3.2, η μεταβλητή που μας ενδιαφέρει είναι η μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της ανά μονάδα οριζόντιας επιφάνειας (Shortwave Incoming Solar Radiation- SIS) με εύρος μηκών κύματος από 0.2 έως 4 μm. Επίσης είναι γνωστή με την ονομασία Παγκόσμια ακτινοβολία (global irradiance) και μετράται σε W/m 2. Οι τιμές των δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν είναι μέσες μηνιαίες τιμές και η χωρική ανάλυση των δεδομένων είναι 0.03 x 0.03 μοίρες (σε πλέγμα γεωγραφικού πλάτους γεωγραφικού μήκους). Οι πλατφόρμες δορυφόρων που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι Meteosat -2, -3, -4, -5, -6, -7 και καλύπτουν τη χρονική περίοδο από τον Ιανουάριο του 1983 μέχρι το Δεκέμβριο του Η υποπεριοχή μελέτης είναι η ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου και καλύπτεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες (μήκος, πλάτος ) -10.0, 50.0, 35.0, 30.0, με ανάλυση πλέγματος 0.03X0.03 μοίρες. Όλα τα δεδομένα είναι σε μορφή netcdf αρχείων. Για περισσότερες λεπτομέρειες όσον αφορά στα δεδομένα και στον υπολογισμό της global irradiance at the surface αναφέρονται τα ακόλουθα. Ως βοηθητικά δεδομένα για τον υπολογισμό της ακτινοβολίας στο έδαφος χρησιμοποιούνται δεδομένα για τα αεροζόλ από τη βάση δεδομένων GADS/OPAC (Hess et al., 1998), δεδομένα για τους υδρατμούς στην ατμόσφαιρα από τη βάση δεδομένων ERA-Interim data set (Dee et al., 2011), και δεδομένα για την ανακλαστικότητα της επιφάνειας από την ομάδα μελετών SARB/CERES team ( Επίσης γίνεται διαχωρισμός «καθαρού ουρανού» (clear 32

33 sky conditions) και «ουρανού με νεφώσεις» (cloudy sky conditions), με πληροφορίες που παρέχονται από τον οργανισμό Nowcasting SAF (NWC SAF) ( Για τις συνθήκες «καθαρού ουρανού» τα δεδομένα των δορυφόρων επαρκούν για την εκτίμηση της ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος μέσω του λογισμικού Mesoscale Atmospheric Global Irradiance Code (MAGIC, Για τον υπολογισμό της ακτινοβολίας σε συνθήκες νέφωσης χρησιμοποιούνται βοηθητικοί πίνακες υπολογισμού της διαπερατότητας και της ανακλαστικότητας της ατμόσφαιρας. Η διαπερατότητα μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε εισερχόμενη ακτινοβολία σύμφωνα με τη μεθοδολογία που περιγράφεται από τους Möser and Raschke (1984), λαμβάνοντας πάντα υπόψη την ημερήσια μεταβλητότητα της ηλιακής ακτινοβολίας. Για τον υπολογισμό των μέσων μηνιαίων τιμών ακτινοβολίας απαιτούνται τουλάχιστον είκοσι (20) αξιόπιστες μέσες ημερήσιες τιμές. Για την επιλογή συγκεκριμένου χωρικού πλέγματος και χωρικής ανάλυσης δεδομένων, εφαρμόζεται το πακέτο εντολών CDO (Climate Data Operators). Περισσότερες λεπτομέρειες για την αξιοπιστία και την λεπτομερή περιγραφή των στατιστικών και υπολογιστικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία των αρχικών δεδομένων παρέχονται από τον οργανισμό (CM SAF), μέσω της ιστοσελίδας του ( ) (CM SAF Documentation). 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ GLOBAL DIMMING/ GLOBAL BRIGHTENING 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ GLOBAL DIMMING/ GLOBAL BRIGHTENING 4.1 Εισαγωγή: Η ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της Γης παρουσιάζει σημαντικές μεταβολές, οι οποίες κατανέμονται, τόσο χρονικά όσο και χωρικά. Οι μεταβολές αυτές δεν συνδέονται άμεσα με τις μεταβολές της ηλιακής δραστηριότητας, όπως θα ήταν αναμενόμενο, αλλά με τις μεταβολές της σύστασης της ατμόσφαιρας, τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων και την πυκνότητα της νέφωσης. Οι μελετητές, μετά από πολυετής έρευνες, κατέληξαν στον ορισμό δύο νέων φαινομένων για την παγκόσμια κοινότητα, τα φαινόμενα της «Συσκότισης» (Global Dimming) και της «Λάμπρυνσης» (Global Brightening). Ως «Συσκότιση» ορίζεται το φαινόμενο της σημαντικής μείωσης της ποσότητας της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης και παρατηρήθηκε έντονα κατά τις δεκαετίες Το φαινόμενο σχετίζεται άμεσα με την ατμοσφαιρική ρύπανση, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει τη δημιουργία νεφών, καθώς τα αιωρούμενα σωματίδια λειτουργούν ως πυρήνες συμπύκνωσης των υδρατμών και αυξάνουν την ανακλαστικότητα της ατμόσφαιρας. Η αυξημένη νέφωση εμποδίζει ένα μεγάλο μέρος της άμεσης ακτινοβολίας να φτάσει στην επιφάνεια της Γης δημιουργώντας το φαινόμενο της «Συσκότισης». Αντίθετα, ως «Λάμπρυνση» ορίζεται η ανάκαμψη του ποσού της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης, μετά το πέρας της περιόδου της «Συσκότισης», δηλαδή κυρίως μετά το Τα παραπάνω φαινόμενα, αν και χαρακτηρίζονται ως παγκόσμια (Global Dimming, Global Brightening), δεν έχουν παγκόσμια, αλλά τοπικά προσδιορισμένη κατανομή. Παρατηρήθηκαν κυρίως σε περιοχές με έντονη βιομηχανική δραστηριότητα και ανάπτυξη (όπως η Κίνα) ενώ τα μέτρα βελτίωσης της ποιότητας του αέρα που λήφθηκαν σε ορισμένες περιοχές φαίνεται να επηρέασαν άμεσα τη σύσταση της ατμόσφαιρας πάνω από τις προαναφερθείσες περιοχές και να οδήγησαν στο φαινόμενο της «Λάμπρυνσης». Ωστόσο, σχεδόν σε καμία περιοχή μελέτης, το ποσό της ακτινοβολίας δεν έφτασε στα επίπεδα που ήταν πριν το 1950, γεγονός που τονίζει τη σημασίας της ανεπανόρθωτης επέμβασης της ανθρώπινης δραστηριότητας στην ατμόσφαιρα. Σε επιστημονικά άρθρα αναφέρεται ότι η μείωση της SSR (Surface Solar Radiation) κατά την περίοδο της συσκότισης ήταν της τάξης των 3 9 W/m 2, ενώ στην περίοδο που ακολούθησε η αύξηση ήταν της τάξης των 1 4 W/m 2. Πρόσφατες μελέτες για τη χρονική περίοδο μετά το 2000 δείχνουν αύξηση σε κάποιες περιοχές, ενώ μείωση σε κάποιες άλλες, γεγονός που συνδέεται άμεσα με την οικονομική και βιομηχανική ανάπτυξη. Όσον αφορά τον Ευρωπαϊκό χώρο, το φαινόμενο της «Λάμπρυνσης» συνεχίζει να εξελίσσεται, ενώ αξίζει να αναφερθεί πως τις δεκαετίες παρατηρήθηκαν τάσεις αύξησης της ακτινοβολίας, φαινόμενο το οποίο γνωστό με τον όρο «πρώιμη Λάμπρυνση» (early brightening). Κοιτάζοντας τα φαινόμενα με μια «ενεργειακή» ματιά, μπορούμε να δώσουμε μια πιθανή εξήγηση διατήρησης του ενεργειακού ισοζυγίου, παρατηρώντας τα παρακάτω (Εικόνα 1). Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών η μείωση της SSR ίσως υπερκάλυψε την κατερχόμενη θερμική ακτινοβολία (LW ) η οποία ενισχύθηκε από την αύξηση της συγκέντρωσης των θερμοκηπικών αερίων, με αποτέλεσμα να «μπλοκαριστέι» η παγκόσμια θέρμανση, προκαλώντας μόνο μια μικρή αύξηση στην επιφανειακή θερμική εκπομπή (LW ). Η μείωση στην ενέργεια λόγω ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης ίσως να οδήγησε στην εξασθένιση της εξάτμισης των επιφανειακών υδάτων και στο ενεργειακό της ισοζύγιο, καθώς επίσης και μείωση στη λανθάνουσα θερμότητα, οδηγώντας τον υδρολογικό κύκλο σε μια επιβράδυνση με αποτέλεσμα την μείωση των βροχοπτώσεων σε ορισμένες περιοχές. Κατά τη μετάβαση στις επόμενες δεκαετίες, το ενισχυμένο φαινόμενο του θερμοκηπίου προκάλεσε ραγδαία θέρμανση, ενισχύθηκε η εξάτμιση και εντατικοποιήθηκε ο υδρολογικός κύκλος. Οι μεταβολές στη επιφανειακή και αισθητή ροή θερμότητας θωρούνται πολύ μικρές σε σχέση με τις προαναφερθείσες ροές ενέργειας, συνεπώς δεν φαίνεται να επηρεάζουν τα φαινόμενα. 35

36 Εικόνα 4.1: Σχηματική απεικόνιση των φαινομένων της Συσκότισης (αριστερά) και της Λάμπρυνσης (δεξιά) στην επιφάνεια. 4.2 Ο ρόλος των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών στην πορεία της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η κύρια αιτία της μεταβολής της ακτινοβολίας που φτάνει στην ατμόσφαιρα, δεν αναζητείται στη μεταβολή της ηλιακής δραστηριότητας αλλά στην μεταβολή της σύστασης και της διαπερατότητας της ατμόσφαιρα η οποία με τη σειρά της επηρεάζεται από τη νέφωση, τα αιωρούμενα σωματίδια και τα ενεργά προς την ακτινοβολία αέρια. Η νεφοκάλυψη καθορίζει την κατερχόμενη ακτινοβολία άμεσα αλλά ο ρόλος της στις μακροχρόνιες μεταβολές δεν είναι πλήρως καθορισμένος. Τα προαναφερθέντα φαινόμενα «Συσκότισης» και «Λάμπρυνσης» παρατηρήθηκαν και σε περιοχές με μικρά ποσοστά νεφοκάλυψης ετησίως, γεγονός που τονίζει το ρόλο των αιωρούμενων σωματιδίων. Ως αιωρούμενα σωματίδια ορίζονται τα στερεά ή υγρά σωματίδια που βρίσκονται σε διασπορά στην ατμόσφαιρα (πλην των υδροσταγονιδίων). Η διάμετρος τους κυμαίνεται από μm έως 500 μm περίπου. Επομένως είναι εύκολα αντιληπτό ότι δεν αποτελούν έναν ενιαίο ρύπο αλλά ένα μίγμα ουσιών. Η ταξινόμηση τους γίνεται με βάση πολλά κριτήρια, όπως π.χ. τη διάμετρό των σωματιδίων, τις πηγές εκπομπής τους κ.α. Ανάλογες με τις πηγές τους, τα αιωρούμενα σωματίδια χαρακτηρίζονται ως πρωτογενή ή δευτερογενή. Τα πρωτογενή εκπέμπονται απευθείας στην ατμόσφαιρα, ενώ τα δευτερογενή δημιουργούνται από φυσικές ή χημικές διεργασίες μετατροπής αερίων σε σωματίδια. Τα αεροζόλ (κοινή ονομασία για τα αιωρούμενα σωματίδια) επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα το κλίμα, καθορίζουν την ποιότητα του αέρα, επηρεάζουν τη δημιουργία νεφών, την ατμοσφαιρική χημεία και τη διαπερατότητα της ατμόσφαιρας, καθώς επεμβαίνουν άμεσα αλλά και έμμεσα, στη διάδοση της ακτινοβολίας. Απορροφούν και σκεδάζουν την άμεση (direct) ακτινοβολία, μειώνοντας απευθείας την τιμή της, ενώ παράλληλα λειτουργούν ως πυρήνες συμπύκνωσης υδρατμών (Cloud Condensation Nuclei, CCN). Οι πυρήνες συμπύκνωσης υδρατμών είναι σωματίδια μεγέθους της τάξης του μικρομέτρου και υπομικρομέτρου, που έχουν συγγένεια με το νερό και λειτουργούν ως «κέντρα συμπύκνωσης», δηλαδή οδηγούν στη δημιουργία ομίχλης ή νεφοσταγονιδίων παρουσία υπερκορεσμένων υδρατμών. Έτσι λοιπόν, με την παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων πάνω από μια περιοχή, αυξάνεται η νεφοκάλυψη και η διάρκεια ζωής των νεφών με ταυτόχρονη αύξηση της ανακλαστικότητας των νεφών. Όλα τα παραπάνω οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η αυξημένη συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων συνεπάγεται τη μείωση της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια, δηλαδή εντατικοποιεί το φαινόμενο της Συσκότισης. 36

37 Όσον αφορά στα νέφη, ο ρόλος τους δεν είναι πλήρως καθορισμένος, καθώς η επίδραση τους στην ακτινοβολία έχει δύο συνιστώσες. Αφενός, με την ύπαρξη νέφωσης πάνω από μια περιοχή αυξάνεται η ανακλαστικότητα, δηλαδή εμποδίζεται η άμεση ηλιακή ακτινοβολία να φτάσει στο έδαφος με άμεση συνέπεια την ψύξη της υποκείμενης επιφάνειας. Από την άλλη μεριά, η γήινη ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος εγκλωβίζεται και δεν της επιτρέπεται η διαφυγή της προς το διάστημα, με άμεση συνέπεια την θέρμανση της υποκείμενης επιφάνειας. Έτσι λοιπόν είναι δύσκολο να αναγνωρισθεί ποια συνιστώσα (ψύξη θέρμανση) θα επικρατήσει και πού θα οδηγηθεί τελικά το σύστημα Γης Ατμόσφαιρας. Βιβλιογραφικά καταδεικνύεται ότι είναι πιθανότερο, σε περιοχές με αυξημένη νέφωση να οδηγούμαστε σε ψύξη του συστήματος ως αποτέλεσμα απουσίας της άμεσης συνιστώσας της ηλιακής ακτινοβολίας. («Φυσική της Ατμόσφαιρας», Σημειώσεις, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 2011). 37

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΤΗΣ ΕΥΡΩΠΗΣ 38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΤΗΣ ΕΥΡΩΠΗΣ 5.1 Εισαγωγή Σκοπός αυτής της εργασίας είναι ο υπολογισμός της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος (solar irradiance) που φτάνει στην περιοχή της Μεσογείου, μέσω των κλιματικών μοντέλων τα οποία αξιολογούνται στην Πέμπτη Έκθεση Αξιολόγησης (Fifth Assessment Report, AR5) της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) καθώς επίσης και η εκτίμηση της μελλοντικής ακτινοβολίας στην ίδια περιοχή μέσω των πειραμάτων RCP4.5. Αρχικό βήμα για την αξιολόγηση των κλιματικών μοντέλων είναι η παρουσίαση της κλιματολογίας, μια διαδικασία που περιλαμβάνει τον υπολογισμό μέσων μηνιαίων και ετήσιων τιμών ακτινοβολίας της υπό μελέτη περιοχής για ένα εύρος ετών του παρελθόντος και την παρουσίαση αυτών σε χάρτες και χρονοσειρές. Στη συγκεκριμένη εργασία, επιλέγεται η μελέτη της κλιματολογίας της περιοχής της Μεσογείου, δηλαδή της Νότιας και Νοτιοανατολικής Ευρώπης. Η περιοχή μελέτης οριοθετείται από γεωγραφικά πλάτη (latitude) από 30.5 ο έως 49.5 ο και γεωγραφικά μήκη (longitude) από -10 ο έως 35 ο. Στις παρακάτω εικόνες φαίνεται η περιοχή μελέτης σε επίσημο χάρτη και σε χάρτη όπως αυτός δημιουργήθηκε από το πρόγραμμα επεξεργασίας δεδομένων, matlab. Εικόνα 5.1: Η υπό μελέτη περιοχή της μεσογείου (Lon[-10 0, 35 0 ], lat [ , ]) Πηγή: 39

40 Εικόνα 5.2: Η υπό μελέτη περιοχή όπως σχεδιάστηκε με το υπολογιστικό πακέτο «matlab». 5.2 Περιγραφή διαδικασίας ΔΕΔΟΜΕΝΑ: Ως αρχεία δεδομένων χρησιμοποιήθηκαν τα αρχεία των αποτελεσμάτων των μοντέλων που έχουν ως μεταβλητή (variable) την ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος που φτάνει στην επιφάνεια της γης, εκφρασμένη σε μέσες μηνιαίες τιμές (monthly mean) (Surface Downwelling Shortwave Radiation), υπό συνθήκες «κανονικής» νέφωσης (total sky) και υπό συνθήκες «καθαρού» ουρανού (clear sky). Τα αρχεία ανακτήθηκαν από την ιστοσελίδα του Προγράμματος για την Αξιολόγηση των κλιματικών Μοντέλων (Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison PCMDI) ( Η επεξεργασία των δεδομένων έγινε με τη βοήθεια του πακέτου εντολών CDO και του προγράμματος MatLab. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ: Στόχος της εργασίας είναι η εμφάνιση χαρτών και χρονοσειρών με σκοπό τη μελέτη της κλιματολογίας της υπό μελέτη περιοχής, με απώτερο σκοπό την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των μοντέλων έπειτα από σύγκριση τους με δορυφορικά δεδομένα. Τα δεδομένα ανήκουν στα πειράματα ιστορικών προσομοιώσεων «historical experiments», τα οποία αναπαράγουν με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια την εξέλιξη του κλίματος τον 20 ο αιώνα, καθώς λαμβάνουν υπόψη όλες τις φυσικές και ανθρωπογενής μεταβολές στη σύσταση της ατμόσφαιρας. Για το λόγο αυτό, τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων θεωρούνται τα πλέον κατάλληλα για την αξιολόγηση των κλιματικών μοντέλων. Τα περισσότερα μοντέλα δίνουν αποτελέσματα από το 1850 μέχρι και το έτος Ωστόσο, στην παρούσα φάση της εργασίας επιλέγεται ως χρονική περίοδος αναφοράς η εικοσαετία που καλύπτεται από τα έτη , η οποία καλύπτεται πλήρως από τα περισσότερα μοντέλα. Η συγκεκριμένη περίοδος θεωρείται αντιπροσωπευτική για τη μελέτη της κλιματολογίας μιας περιοχής καθώς επίσης και για τις σημερινές κλιματικές συνθήκες, ενώ ως προς τη χρονική διάρκεια, μια εικοσαετία δίνει αρκετά μεγάλο εύρος τιμών για την εξαγωγή ασφαλών στατιστικών συμπερασμάτων. Επίσης, η απουσία διακυμάνσεων της τάξης των δεκαετιών στην επιφανειακή ροή ακτινοβολίας, όπως αυτή υπολογίζεται από τα μοντέλα, ενισχύει την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων σε κλίμακα εικοσαετίας (Wild and Schmucki 2011). 40

41 Καθοριστικός παράγοντας για την επιλογή χρονικής περιόδου μελέτης ήταν επίσης και η διαθεσιμότητα των δορυφορικών δεδομένων στην ίδια περιοχή, ώστε να είναι εφικτή η άμεση σύγκριση των αποτελεσμάτων και η αξιολόγηση των μοντέλων. Τα διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα καλύπτουν τα έτη , επομένως είναι δυνατή η μελέτη και η αξιολόγηση της κλιματολογίας που δίνουν τα μοντέλα. Τα περισσότερα μοντέλα που συμμετέχουν στην παρούσα μελέτη παρέχουν αποτελέσματα από πολλαπλές προσομοιώσεις με διαφορετικές αρχικές συνθήκες (ensemble experiments). Ωστόσο παρατηρήθηκε ότι τα τελικά αποτελέσματα δεν επηρεάζονται από την επιλογή του αριθμού προσομοιώσεων και για το λόγο αυτό επιλέχθηκε να μελετάται κάθε φορά μια προσομοίωση από κάθε κλιματικό μοντέλο για κάθε πείραμα (r(a)i1p1,a=1,2). Όσον αφορά την διαδικασία μελέτης πιο αναλυτικά, σε πρώτο στάδιο και πριν από οποιονδήποτε άλλο υπολογισμό, για κάθε μοντέλο και για τα δορυφορικά δεδομένα, γίνεται η ανασυγκρότηση του πλέγματος μέσω της εντολής remapbil του υπολογιστικού πακέτου «CDO (Climate Data Operators)» ώστε να είναι δυνατή η άμεση σύγκριση των αποτελεσμάτων των διαφορετικών μοντέλων. Στη συνέχεια η διαδικασία επιμερίζεται στα εξής μέρη: ΜΕΡΟΣ Α: Αρχικά, επιλέγονται οι χρονικές περίοδοι , και και υπολογίζεται η μέση μηνιαία τιμή της ακτινοβολίας της κάθε χρονικής περιόδου για όλη την περιοχή (λεκάνη της Μεσογείου). Τα αποτελέσματα αποθηκεύονται σε χάρτες από τους οποίους παρουσιάζονται μόνο οι τέσσερις βασικοί αντιπροσωπευτικοί της ετήσιας πορείας μήνες (Ιανουάριος, Απρίλιος, Ιούλιος, Οκτώβριος) για τα έτη Επίσης υπολογίζεται για κάθε σημείο του πλέγματος και κάθε έναν από τους παραπάνω μήνες ο λόγος της ακτινοβολίας total sky / clear sky, για να έχουμε μια εικόνα της νέφωσης στην περιοχή. ΜΕΡΟΣ Β: Σε δεύτερο στάδιο, επαναλαμβάνεται η διαδικασία του πρώτου σταδίου αλλά για τις εικοσαετίες και Τα αποτελέσματα δεν εμφανίζονται σε χάρτες αλλά «αφαιρούνται» από αυτά του πρώτου σταδίου, ώστε να έχουμε μια εικόνα για την μεταβολή της μέσης μηνιαίας τιμής της ακτινοβολίας και την χρονική της εξέλιξη. Στις διαφορές των χρονικών περιόδων εφαρμόζεται το τεστ στατιστικής σημαντικότητας (t test) για να εκτιμηθεί η σημαντικότητα των διαφορών των μέσων τιμών ακτινοβολίας σε κάθε σημείο του πλέγματος σε διάστημα εμπιστοσύνης 95%. ΜΕΡΟΣ Γ: Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα δορυφορικά δεδομένα και γίνεται σύγκριση αυτών με τα αποτελέσματα των κλιματικών μοντέλων. Οι διαφορές είναι εκφρασμένες σε ποσοστά επί των τιμών των δορυφορικών μετρήσεων. Θετικές τιμές υποδεικνύουν ότι τα μοντέλα υπερεκτιμούν, ενώ αρνητικές τιμές υποδεικνύουν ότι τα μοντέλα υποτιμούν την τιμή της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια. Και σε αυτές τις διαφορές εφαρμόζεται το τεστ στατιστικής σημαντικότητας (t test) για να εκτιμηθεί η σημαντικότητα των διαφορών των σε κάθε σημείο του πλέγματος σε διάστημα εμπιστοσύνης 95%. ΜΕΡΟΣ Δ: Σε τελευταίο στάδιο επιλέγεται η μελέτη του ετήσιου κύκλου της τελευταίας εικοσαετίας ( ) για την περιοχή της χώρα μας. Υπολογίζεται δηλαδή η μέση τιμή πεδίου (fieldmean) για γεωγραφικές συντεταγμένες ανατολικά και βόρεια, και η μέση μηνιαία τιμή για τα έτη , με απώτερο σκοπό την απεικόνιση του ετήσιου κύκλου. 41

42 5.3 Παρουσίαση αποτελεσμάτων Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των παραπάνω σταδίων και υπολογισμών : ΜΕΡΟΣ Α: Ιανουάριος (total sky) Εικόνα 5.1: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Ιανουάριο της περιόδου

43 2) Απρίλιος (total sky) Εικόνα 5.2: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Απρίλιο της περιόδου

44 3) Ioύλιος (total sky) Εικόνα 5.3: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Ιούλιο της περιόδου

45 4) Οκτώβριος (total sky) Εικόνα 5.4: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Οκτώβριο της περιόδου

46 5) Ιανουάριος (clear sky) Εικόνα 5.5: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Ιανουάριο της περιόδου υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 46

47 6) Απρίλιος (clear sky) Εικόνα 5.6: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Απρίλιο της περιόδου υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 47

48 7) Ιούλιος (clear sky) Εικόνα 5.7: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Ιούλιο της περιόδου υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 48

49 8) Οκτώβριος (clear sky) Εικόνα 5.8: Μέσες τιμές ακτινοβολίας για το μήνα Οκτώβριο της περιόδου υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 49

50 9) Ιανουάριος (λόγος total/clear sky) Εικόνα 5.9: Λόγος μέσων τιμών ακτινοβολίας για το μήνα Ιανουάριο της περιόδου

51 10) Απρίλιος (λόγος total/clear sky) Εικόνα 5.10: Λόγος μέσων τιμών ακτινοβολίας για το μήνα Απρίλιο της περιόδου

52 11) Ιούλιος (λόγος total/clear sky) Εικόνα 5.11: Λόγος μέσων τιμών ακτινοβολίας για το μήνα Ιούλιο της περιόδου

53 12) Οκτώβριος (λόγος total/clear sky) Εικόνα 5.12: Λόγος μέσων τιμών ακτινοβολίας για το μήνα Οκτώβριο της περιόδου

54 Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΜΕΡΟΣ Α: Όπως βλέπουμε από τους παραπάνω χάρτες, τα αποτελέσματα είναι αναμενόμενα ως προς τις μεταβολές μεταξύ των τεσσάρων μηνών. Οι ελάχιστες και μέγιστες τιμές εμφανίζονται τους μήνες Ιανουάριο και Ιούλιο αντίστοιχα, εικόνα πλήρως συμβατή με την πραγματικότητα, καθώς η υπό μελέτη περιοχή βρίσκεται στο βόρειο ημισφαίριο. Η ίδια επιθυμητή εικόνα εμφανίζεται και τους δυο μεταβατικούς μήνες (Απρίλιο, Οκτώβριο). Πιο συγκεκριμένα, συγκρίνοντας την εικόνα των διαφορετικών μοντέλων για τον ίδιο μήνα, παρατηρούμε ότι για το μήνα Ιανουάριο, σε όλα τα μοντέλα εμφανίζεται μια εικόνα «ζωνικότητας», όπως θα ήταν αναμενόμενο, δηλαδή η τιμή της ακτινοβολίας μειώνεται όσο προχωράμε βορειότερα σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Σε όλα τα μοντέλα εμφανίζεται η ίδια εικόνα, με μετατοπισμένη τη θέση της ζώνης του μεγίστου προς τα νοτιοδυτικά (στα περισσότερα μοντέλα). Τέλος, σημειώνεται ότι οι «ζώνες» ακτινοβολίας φαίνεται να ακολουθούν την τοπογραφία της περιοχής. Η εικόνα φαίνεται να αλλάζει τον επόμενο μήνα μελέτης, τον Απρίλιο. Αρχικά οι απόλυτες τιμές της ακτινοβολίας αυξάνονται σε όλα τα σημεία του πλέγματος (σχεδόν διπλασιάζονται), όπως θα ήταν αναμενόμενο, καθώς είμαστε στο μέσο της άνοιξης του βορείου ημισφαιρίου. Η εικόνα της «ζωνικότητας» «χαλάει» καθώς τα μέγιστα μετατοπίζονται βορειότερα. Ωστόσο, δεν φαίνεται πλέον τα μοντέλα να εμφανίζουν παρόμοια συμπεριφορά, και εδώ αρχίζει να διαφαίνεται ο ρόλος με τον οποίο υπολογίζει κάθε μοντέλο τα νέφη και την αλληλεπίδρασή τους με την ακτινοβολία. Το μήνα Ιούλιο κάθε μοντέλο εμφανίζει διαφορετικά αποτελέσματα. Το κοινό σημείο σε όλα τα μοντέλα είναι η σημαντική αύξηση στην απόλυτη τιμή της ακτινοβολίας σχεδόν σε όλα τα σημεία του πλέγματος. Αξιοσημείωτες είναι και οι διαφορετικές μεταξύ των μοντέλων της ίδιας οικογένειας τα οποία διαφέρουν ως προς τη χωρική ανάλυση ή τη σύζευξη με μοντέλα χημείας (π.χ. MIROC-ESM-CHEM, MIROC-ESM). Τέλος, το μήνα Οκτώβριο, πλησιάζοντας προς το χειμώνα, η εικόνα που εμφανίζουν τα μοντέλα μοιάζει να επανέρχεται στην εικόνα του Ιανουαρίου, με μείωση στις απόλυτες τιμές της ακτινοβολίας, σε σχέση με τους καλοκαιρινούς μήνες, και επανεμφάνιση μιας ζωνικότητας, με τα μέγιστα να εμφανίζονται στο Νότο και τα ελάχιστα στο Βορρά της υπό μελέτης περιοχής. Όσον αφορά στους χάρτες με το λόγο των δυο ακτινοβολιών (total sky/clear sky) μπορούμε να αναφέρουμε τα εξής. Οι μικρότερες τιμές του λόγου εμφανίζονται το μήνα Ιανουάριο. Ακολουθούν ο Οκτώβριος, ο Απρίλιο και τέλος ο Ιούλιος. Τον Απρίλιο και τον Οκτώβριο, δηλαδή τους δύο μεταβατικούς μήνες, οι λόγοι είναι παρόμοιοι. Τον Ιούλιο, στα περισσότερα μοντέλα, ο λόγος πλησιάζει αρκετά προς τη μονάδα, γεγονός που καταδεικνύει την ελαχιστοποίηση της νέφωσης για τους καλοκαιρινούς μήνες στην υπό μελέτη περιοχή, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει το μήνα Ιανουάριο. 54

55 ΜΕΡΟΣ Β1: 1) Ιανουάριος Εικόνα 5.13: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιανουάριο. 55

56 2) Απρίλιος Εικόνα 5.14: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Απρίλιο. 56

57 3) Ιούλιος Εικόνα 5.15: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιούλιο. 57

58 4) Οκτώβριος Εικόνα 5.16: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Οκτώβριο. 58

59 5) Ιανουάριος (clear sky) Εικόνα 5.17: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιανουάριο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 59

60 6) Απρίλιος (clear sky) Εικόνα 5.18: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Απρίλιο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 60

61 7) Ιούλιος (clear sky) Εικόνα 5.19: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιούλιο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 61

62 8) Οκτώβριος (clear sky) Εικόνα 5.20: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Οκτώβριο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 62

63 Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΜΕΡΟΣ B1: Από τη μελέτη αυτού του σταδίου εξαιρείται το μοντέλο CESM1 WACCM, καθώς τα αρχεία δεδομένων του ξεκινούν από το έτος Η εικόνα που εμφανίζει κάθε μοντέλο είναι διαφορετική, με κοινό σημείο τη γενική συμφωνία των μοντέλων ως προς τα ποσοστά μέγιστης μείωσης, τα οποία κυμαίνονται από - 10% για συνθήκες total sky έως -5% για συνθήκες clear sky. Οι διαφορές μεταξύ του ίδιου μοντέλου, τον ίδιο μήνα, με διαφορετικές συνθήκες καταδεικνύει τη σημασία της αλληλεπίδρασης της νέφωσης στη διάδοση της ακτινοβολίας. Επίσης, όσον αφορά τη μελέτη κάθε μοντέλου ξεχωριστά, σε κάθε σημείο του πλέγματος, έχουμε διαφορετικά αποτελέσματα όπως θα ήταν αναμενόμενο, καθώς η περιοχή μελέτης καλύπτει γεωγραφικά πλάτη σε εύρος 20 o. Σε όσα μοντέλα παρατηρείται μια αύξηση της ακτινοβολίας κατά 10%, αυτή εντοπίζεται στο βόρειο τμήμα της περιοχής μελέτης. Οι αρνητικές τιμές, δηλαδή η μείωση της ακτινοβολίας εμφανίζεται να είναι στατιστικά σημαντική, σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%, στα περισσότερα μοντέλα που εμφανίζουν μείωση. Συγκρίνοντας σε κάθε μοντέλο τους μήνες μεταξύ τους θα λέγαμε ότι η μεγαλύτερη αύξηση παρατηρείται τον Απρίλιο, με τον Ιούλιο να ακολουθεί ενώ τον Οκτώβριο και τον Ιανουάριο να εμφανίζουν κατά κύριο λόγο μείωση των τιμών της ακτινοβολίας. 63

64 ΜΕΡΟΣ B2: 1) Ιανουάριος Εικόνα 5.21: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιανουάριο. 64

65 2) Απρίλιος Εικόνα 5.22: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Απρίλιο. 65

66 3) Ιούλιος Εικόνα 5.23: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιούλιο. 66

67 4) Οκτώβριος Εικόνα 5.24: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Οκτώβριο. 67

68 5) Ιανουάριος (clear sky) Εικόνα 5.25: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιανουάριο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 68

69 6) Απρίλιος (clear sky) Εικόνα 5.26: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Απρίλιο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 69

70 7) Ιούλιος (clear sky) Εικόνα 5.27: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Ιούλιο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 70

71 8) Οκτώβριος (clear sky) Εικόνα 5.28: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( , ) για το μήνα Οκτώβριο υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού». 71

72 Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΜΕΡΟΣ B2: Η εικόνα που εμφανίζει κάθε μοντέλο, το ίδιο μήνα, υπό ίδιες συνθήκες, είναι διαφορετική χωρίς καμία συμφωνία των μοντέλων μεταξύ τους. Οι διαφορές μεταξύ του ίδιου μοντέλου, τον ίδιο μήνα, με διαφορετικές συνθήκες καταδεικνύει τη σημασία της αλληλεπίδρασης της νέφωσης στη διάδοση της ακτινοβολίας. Επίσης, όσον αφορά τη μελέτη κάθε μοντέλου ξεχωριστά, σε κάθε σημείο του πλέγματος, έχουμε διαφορετικά αποτελέσματα όπως θα ήταν αναμενόμενο, καθώς η περιοχή μελέτης καλύπτει γεωγραφικά πλάτη σε εύρος 20 o. Σε όσα μοντέλα παρατηρείται μια αύξηση της ακτινοβολίας, υπό συνθήκες total sky κατά 10%, αυτή εντοπίζεται στο βόρειο τμήμα της περιοχής μελέτης. Οι θετικές τιμές, δηλαδή η αύξηση της ακτινοβολίας εμφανίζεται να είναι στατιστικά σημαντική, σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%, στα περισσότερα μοντέλα που εμφανίζουν αύξηση υπό συνθήκες total sky. Η εικόνα υπό συνθήκες «clear sky» φαίνεται να είναι πιο ξεκάθαρη, καθώς στην πλειοψηφία τους τα μοντέλα φαίνατε να δείχνουν σταθερή την τιμή της ακτινοβολίας από τη μια εικοσαετία στην επόμενη (0%), χωρίς όμως αυτή η σταθερότητα να είναι στατιστικά σημαντική. Σε όσα μοντέλα εμφανίζεται αύξηση, υπό συνθήκες «clear sky», αυτή εντοπίζεται στο βόρειο τμήμα της υπό μελέτης περιοχής τους μήνες Ιανουάριο και Οκτώβριο και φαίνεται να είναι στατιστικά σημαντική. 72

73 MΕΡΟΣ Γ: 1) Ιανουάριος ΜΟΝΤΕΛΟ Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (W/m 2 ) Διαφορές από δορυφορικά % 1) bcc-csm1-1m 79,68-10,05 2) BNU-ESM 79,74-9,99 3) CanESM2 89,94 1,53 4) CCSM4 92,73 4,68 5) CESM1-BGC 92,51 4,43 6) CESM1 CAM5 87,09-1,68 7) CESM1 WACCM 92,46 4,37 8) CSIRO-Mk ,20-3,83 9) FIO ESM 85,49-3,49 10) GISS-E2-H-CC 88,58-0,01 11) HadGEM2-ES 89,73 1,29 12) IPSL-CM5A-MR 86,42-2,45 13) IPSL-CM5B-LR 84,51-4,60 14) MIROC-ESM CHEM 80,78-8,81 15) MIROC ESM 81,45-8,05 16) MIROC5 87,61-1,11 17) MPI- ESM- LR 86,69-2,14 18) MPI- ESM MR 87,38-1,36 19) MRI CGCM3 97,11 9,62 20) NorESM1-ME 82,07-7,36 21) multimodel-mean 86,86-1,95 Πίνακας 5.3.1: Μέση τιμή πεδίου και σύγκριση με δορυφορικά δεδομένα για το μήνα Ιανουάριο 73

74 % Εικόνα 5.31: Σύγκριση μοντέλων και μετρήσεων για το μήνα Ιανουάριο (διαφορές εκφρασμένες σε ποσοστό % των μετρήσεων) 74

75 2) Απρίλιος ΜΟΝΤΕΛΟ Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (W/m 2 ) Διαφορές από δορυφορικά δεδομένα% 1) bcc-csm1-1m 233,20 2,92 2) BNU-ESM 226,43-0,07 3) CanESM2 235,57 3,96 4) CCSM4 243,84 7,61 5) CESM1-BGC 244,43 7,87 6) CESM1 CAM5 229,77 1,40 7) CESM1 WACCM 238,45 5,23 8) CSIRO-Mk ,47 1,71 9) FIO ESM 242,29 6,93 10) GISS-E2-H-CC 224,28-1,02 11) HadGEM2-ES 238,02 5,05 12) IPSL-CM5A-MR 243,99 7,68 13) IPSL-CM5B-LR 228,76 0,96 14) MIROC-ESM CHEM 231,39 2,12 15) MIROC ESM 233,17 2,90 16) MIROC5 239,38 5,64 17) MPI- ESM- LR 221,04-2,45 18) MPI- ESM MR 221,52-2,24 19) MRI CGCM3 249,79 10,24 20) NorESM1-ME 230,69 1,81 21) multimodel-mean 234,32 3,41 Πίνακας 5.3.2: Μέση τιμή πεδίου και σύγκριση με δορυφορικά δεδομένα για το μήνα Απρίλιο. 75

76 % Εικόνα 5.33: Σύγκριση μοντέλων και μετρήσεων για το μήνα Απρίλιο (διαφορές εκφρασμένες σε ποσοστό % των μετρήσεων) 76

77 3) Ιούλιος ΜΟΝΤΕΛΟ Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (W/m 2 ) Διαφορές από δορυφορικά δεδομένα% 1) bcc-csm1-1m 305,81 1,90 2) BNU-ESM 313,52 4,47 3) CanESM2 295,66-1,48 4) CCSM4 307,09 2,33 5) CESM1-BGC 306,16 2,02 6) CESM1 CAM5 294,44-1,89 7) CESM1 WACCM 310,89 3,59 8) CSIRO-Mk ,02 2,64 9) FIO ESM 318,54 6,14 10) GISS-E2-H-CC 267,85-10,75 11) HadGEM2-ES 307,84 2,58 12) IPSL-CM5A-MR 320,07 6,65 13) IPSL-CM5B-LR 309,54 3,14 14) MIROC-ESM CHEM 306,69 2,19 15) MIROC ESM 308,06 2,65 16) MIROC5 302,06 0,65 17) MPI- ESM- LR 290,13-3,32 18) MPI- ESM MR 290,29-3,27 19) MRI CGCM3 317,79 5,89 20) NorESM1-ME 307,44 2,44 21) multimodel-mean 304,39 1,43 Πίνακας 5.3.3: Μέση τιμή πεδίου και σύγκριση με δορυφορικά δεδομένα για το μήνα Ιούλιο. 77

78 % Εικόνα 5.34: Σύγκριση μοντέλων και μετρήσεων για το μήνα Ιούλιο (διαφορές εκφρασμένες σε ποσοστό % των μετρήσεων) 78

79 4) Οκτώβριος ΜΟΝΤΕΛΟ Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (W/m 2 ) Διαφορές από δορυφορικά δεδομένα% 1) bcc-csm1-1m 145,30-0,43 2) BNU-ESM 144,84-0,74 3) CanESM2 144,39-1,05 4) CCSM4 154,70 6,01 5) CESM1-BGC 153,46 5,17 6) CESM1 CAM5 146,05 0,09 7) CESM1 WACCM 149,26 2,29 8) CSIRO-Mk ,75-2,86 9) FIO ESM 148,64 1,86 10) GISS-E2-H-CC 139,91-4,12 11) HadGEM2-ES 148,00 1,42 12) IPSL-CM5A-MR 152,07 4,21 13) IPSL-CM5B-LR 143,85-1,42 14) MIROC-ESM CHEM 147,57 1,13 15) MIROC ESM 150,16 2,90 16) MIROC5 149,13 2,20 17) MPI- ESM- LR 143,60-1,59 18) MPI- ESM MR 144,17-1,20 19) MRI CGCM3 150,57 3,18 20) NorESM1-ME 146,83 0,62 21) multimodel-mean 147,21 0,88 Πίνακας 5.3.4: Μέση τιμή πεδίου και σύγκριση με δορυφορικά δεδομένα για το μήνα Οκτώβριο. 79

80 % Εικόνα 5.36: Σύγκριση μοντέλων και μετρήσεων για το μήνα Οκτώβριο (διαφορές εκφρασμένες σε ποσοστό % των μετρήσεων) 80

81 Εικόνα 5.37: Σύγκριση multimodel_mean και μετρήσεων για όλους τους μήνες (διαφορές εκφρασμένες σε ποσοστό % των μετρήσεων) 81

82 Σχολιασμός αποτελεσμάτων ΜΕΡΟΣ Γ: Αρχικά παρατηρούμε από τους παραπάνω χάρτες ότι και σε επίπεδο κάθε μοντέλου ξεχωριστά, αλλά και σε επίπεδο multimodel_mean υπάρχει πολύ καλή συμφωνία μοντέλων και μετρήσεων. Πιο αναλυτικά, το μήνα Ιανουάριο σε επίπεδο μέσης τιμής πεδίου, το μοντέλο GISS-E2-H-CC βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με τα δορυφορικά, με απόκλιση της τάξης του -0,01%. Ωστόσο, τους επόμενους μήνες, το ίδιο μοντέλο φαίνεται να αποκλίνει σημαντικά, με μέγιστη διαφορά το μήνα Ιούλιο, για τον οποίο υποτιμά την τιμή της μέσης ακτινοβολίας κατά 10,75% Η μικρότερη δυνατή «συμφωνία» μοντέλων και μετρήσεων εμφανίζεται το μήνα Ιούλιο, γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στη γενικότερη αστάθεια της ατμόσφαιρας, στην περιοχή μελέτης τους καλοκαιρινούς μήνες. Στατιστικά σημαντική υποεκτίμηση των τιμών της ακτινοβολίας της τάξης του 30%, σε επίπεδο στατιστικής σημαντικότητας 95% έχουμε το μήνα Ιανουάριο και αυτή εντοπίζεται στο βορειοδυτικό τμήμα της περιοχής μελέτης. Από την άλλη μεριά, η μέγιστη στατιστικά σημαντική υπερεκτίμηση φαίνεται το μήνα Ιούλιο, στο βορειοανατολικό τμήμα της περιοχής μελέτης. 82

83 83

84 5.3.9:ΜΕΡΟΣ : ΕΤΗΣΙΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ Εικόνα 5.37: Ετήσιος κύκλος ακτινοβολίας για τον Ελλαδικό χώρο. Εικόνα 5.38: Ποσοστιαίες διαφορές από τα δορυφορικά δεδομένα. Παρατηρήσεις: Αρκετά καλή αποτύπωση του ετήσιου κύκλου για τον Ελλαδικό χώρο, από μεριάς των μοντέλων, με ένα εύρος διαφορών από -11% έως 21%. Καλύτερη συμφωνία τους θερινούς μήνες (εξαίρεση το μοντέλο GISS-E2-H-CC)

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΕΤΗΣΙΑΣ ΤΙΜΗΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 85

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΕΤΗΣΙΑΣ ΤΙΜΗΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 6.1. Περιγραφή διαδικασίας : Στόχος αυτής της διαδικασίας είναι η δημιουργία μιας χρονοσειράς στην οποία να απεικονίζεται η μέση ετήσια τιμής της ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια αρχικά υπολογισμένη ως μέση τιμή πεδίου για την περιοχή μελέτης και στη συνέχεια ως μέση παγκόσμια τιμή (global mean), για όλα τα έτη για τα οποία μας παρέχουν δεδομένα τα μοντέλα που συμμετέχουν στην ομάδα του CMIP5. Σε πρώτο στάδιο, και πριν από οποιαδήποτε στατιστική επεξεργασία, σε όλα τα αρχεία δεδομένων, έγινε η ανασυγκρότηση του πλέγματος,μέσω της εντολής remapbil του υπολογιστικού πακέτου «CDO (Climate Data Operators)» ώστε να είναι δυνατή η άμεση σύγκριση των αποτελεσμάτων των διαφορετικών μοντέλων και η δημιουργία χρονοσειρών στο ίδιο σύστημα αναφοράς. Στη συνέχεια, έχοντας αρχεία με το ίδιο πλέγμα και την ίδια πυκνότητα δεδομένων, από όλα τα μοντέλα, για τη δημιουργία μιας πλήρους χρονοσειράς είναι απαραίτητη η «ένωση» διαφορετικών αρχείων με σκοπό τη δημιουργία ενός αρχείου που καλύπτει τα έτη Τα έτη καλύπτονται από τα «ιστορικά» πειράματα (historical experiments), ενώ τα έτη καλύπτονται από τα πειράματα μελλοντικής εκτίμησης (rcp4.5 experiments). Η διαδικασία εκτελέστηκε με τη βοήθεια της εντολής mergetime του υπολογιστικού πακέτου «CDO». Σε τρίτο στάδιο, υπολογίστηκε από κάθε μοντέλο η μέση τιμή πεδίου και η μέση παγκόσμια τιμή ακτινοβολίας μέσω της εντολής fldmean (field mean) καθώς επίσης και η μέση ετήσια τιμή year mean. Τέλος, αφού όλα τα αρχεία πήραν τη ζητούμενη μορφή (remmaped, merged, global mean, year mean) και με τη βοήθεια του υπολογιστικού προγράμματος Matlab, δημιουργήθηκαν οι παρακάτω χρονοσειρές, στις οποίες απεικονίζονται η εξέλιξη της ακτινοβολίας υπό κανονικές συνθήκες νέφωσης (total sky) και υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού» (clear sky). Σε κάθε χρονοσειρά απεικονίζεται η μέση ετήσια τιμή της ακτινοβολίας για όλα τα έτη για τα οποία παρέχουν δεδομένα τα μοντέλα. Σε αυτές τις χρονοσειρές παρατηρούμε τον «θόρυβο» της ετήσιας διακύμανσης, ο οποίος μας εμποδίζει να μελετήσουμε την γενικότερη τάση. Για το λόγο αυτό, κρίθηκε σκόπιμο να χρησιμοποιηθεί ένα φίλτρο, γνωστό με την ορολογία του «κινητού μέσου όρου» (moving average filter), το οποίο απαλλάσσει τη χρονοσειρά από την ετήσια διακύμανση και εμφανίζει την γενικότερη τάση (trend) στη μεταβολή της ακτινοβολίας. Για τον εφαρμογή του φίλτρου χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Matlab. Τέλος, για να μπορεί να μελετηθεί καλύτερα η χρονική εξέλιξη της ακτινοβολίας κρίθηκε σκόπιμο να υπολογιστεί η μέση τιμή των ετών η οποία αφαιρέθηκε από όλες τις τιμές της κάθε χρονοσειράς. Επίσης, υπολογίσθηκε ο λόγος των δυο ακτινοβολιών (total sky / clear sky), ο οποίος μας παρέχει πληροφορίες για τη νέφωση και κατά συνέπεια για την πορεία των αιωρούμενων σωματιδίων και πως αυτά λαμβάνονται υπόψη από κάθε μοντέλο. 86

87 6.2 Παρουσίαση αποτελεσμάτων Εικόνα 6.1: Διαφορά των μέσων ετησίων τιμών της ακτινοβολίας από την περίοδο αναφοράς ( ) (global) 87

88 Εικόνα 6.2: Διαφορά των μέσων ετησίων τιμών της ακτινοβολίας από την περίοδο αναφοράς ( ) υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού» (global) 88

89 Εικόνα 6.3: Λόγος ακτινοβολίας rsds / rsdscs (global) 89

90 Εικόνα 6.4: Διαφορά των μέσων ετησίων τιμών της ακτινοβολίας από την περίοδο αναφοράς ( ) (Μεσόγειος) 90

91 Εικόνα 6.5: Διαφορά των μέσων ετησίων τιμών της ακτινοβολίας από την περίοδο αναφοράς ( ) υπό συνθήκες «καθαρού ουρανού» (Μεσόγειος) 91

92 Εικόνα 6.6: Λόγος ακτινοβολίας rsds / rsdscs (Μεσόγειος). 92

93 Εικόνα 6.7: Διαφορά των μέσων ετησίων τιμών της ακτινοβολίας από την περίοδο αναφοράς ( ) (Μεσόγειος)(Multimodel-mean) Εικόνα 6.8: Διαφορά των μέσων ετησίων τιμών της ακτινοβολίας από την περίοδο αναφοράς ( )υπο συνθήκες «καθαρού ουρανού» (Μεσόγειος)(Multimodel-mean) Εικόνα 6.9: Λόγος ακτινοβολίας rsds / rsdscs (Μεσόγειος). 93

94 6.3 Σχολιασμός αποτελεσμάτων Το άμεσο ζητούμενο από τις παραπάνω χρονοσειρές είναι η χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής της ολικής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης. Ωστόσο, με μια δεύτερη ματιά, στα παραπάνω διαγράμματα μπορούμε να «αναγνώσουμε» τη χρονική εξέλιξη των αιωρούμενων σωματιδίων καθώς επίσης και την εξέλιξη της νέφωσης αλλά και τον τρόπο με τον οποίο τα κλιματικά μοντέλα λαμβάνουν υπόψη τους τις δυο αυτές παραμέτρους, στον υπολογισμό της ακτινοβολίας. Τα περισσότερα κλιματικά μοντέλα προσομοιώνουν ικανοποιητικά τα φαινόμενα της «Συσκότισης» και της «Λάμπρυνσης», ωστόσο το σημείο καμπής (ανάκαμψη ή πτώση του ποσού της απόλυτης τιμής της ακτινοβολίας) διαφέρει από μοντέλο σε μοντέλο, κυρίως σε τοπικό επίπεδο και όχι τόσο σε παγκόσμιο. Σε επίπεδο multimodel-mean και για την περιοχή της Μεσογείου, τα φαινόμενα Dimming Brightening φαίνονται ξεκάθαρα, με πτώση της ολικής ακτινοβολίας από το έτος 1950 μέχρι το 1980 ενώ ακολουθεί αύξηση σε όλες τις επόμενες δεκαετίες. Παρόμοια εικόνα έχει και η τιμή της ακτινοβολίας υπό συνθήκες καθαρού ουρανού (clear sky), με τη μόνη ουσιαστική διαφορά στην τάξη μεγέθους πριν από το έτος Ο λόγος των δυο ακτινοβολιών (total sky/clear sky) είναι δείκτης για τη νέφωση της υπό μελέτης περιοχής. Υπολογίζοντας το λόγο σε παγκόσμιο επίπεδο (global mean) παρατηρούμε ότι σε όλα τα μοντέλα εμφανίζεται να είναι σταθερός, από 0,74 0,78. Θα μπορούσαμε λοιπόν να πούμε ότι περίπου το 25% της ατμόσφαιρας καλύπτεται σταθερά με νέφη, με μεταβολές της τάξης του 0,005% σε κάθε μοντέλο, και με μια τάση προς αύξηση. Στη περιοχή μελέτης η εικόνα του λόγου είναι λίγο διαφορετική. Ο λόγος των δυο ακτινοβολιών αυξάνεται κατά 2%, δηλαδή περιμένουμε στις επόμενες δεκαετίες, και σε επίπεδο μέσης ετήσιας και μέσης χωρικής τιμής μια μείωση της νέφωσης κατά το αντίστοιχο ποσοστό. 94

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 95

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 7.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης της ηλιακής ακτινοβολίας σύμφωνα με τα μοντέλα που συμμετέχουν στο πρόγραμμα CMIP5. Η περιοχή μελέτης καλύπτει γεωγραφικές συντεταγμένες Lon[-10 0, 35 0 ], lat [ , ]) και η χρονική περίοδος μελέτης τα έτη Αφού μελετήθηκε η κλιματολογία της περιοχής, έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοντέλων με δορυφορικές μετρήσεις, με στόχο την αξιολόγηση αυτών. Από την αξιολόγηση προέκυψε το γενικό συμπέρασμα ικανοποιητικής συμπεριφοράς των μοντέλων καθώς έχουμε συμφωνία των αποτελεσμάτων τους με τα δορυφορικά δεδομένα. Στη συνέχεια μελετήθηκε η χρονική εξέλιξη της ακτινοβολίας στην υπό μελέτη περιοχή, με στόχο την επιβεβαίωση της ύπαρξης των φαινομένων Dimming Brightening. Και σε αυτό το στάδιο τα αποτελέσματα είναι αναμενόμενα. Τέλος, έγινε μια μελλοντική εκτίμηση της πορείας της ακτινοβολίας μέσω των σεναρίων RCP4.5, σύμφωνα με τα οποία αναμένουμε αύξηση της τάξης του 3-5% στην τιμή της ακτινοβολίας. 7.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ W/m Α) ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ Μελετώντας την κλιματολογία της περιοχής, για τους τέσσερεις, αντιπροσωπευτικούς της ετήσιας πορείας μήνες, και για τα έτη παρατηρούμε αναμενόμενες διαφορές μεταξύ των μοντέλων. ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ Διάγραμμα 7.1 : Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (μέση τιμή πεδίου χρονικής περιόδου ) για το μήνα Ιανουάριο 96

97 ΑΠΡΙΛΙΟΣ Διάγραμμα 7.2 : Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (μέση τιμή πεδίου χρονικής περιόδου ) για το μήνα Απρίλιο 340 ΙΟΥΛΙΟΣ Διάγραμμα 7.3 : Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (μέση τιμή πεδίου χρονικής περιόδου ) για το μήνα Ιούλιο ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ Διάγραμμα 7.4 : Απόλυτες τιμές ακτινοβολίας (μέση τιμή πεδίου χρονικής περιόδου ) για το μήνα Οκτώβριο 97

98 bcc-csm1-1m BNU-ESM CanESM2 CCSM4 CESM1-BGC CESM1 CAM5 CESM1 CSIRO-Mk3-6-0 FIO ESM GISS-E2-H-CC HadGEM2-ES IPSL-CM5A-MR IPSL-CM5B-LR MIROC-ESM MIROC ESM MIROC5 MPI- ESM- LR MPI- ESM MR MRI CGCM3 NorESM1-ME Μultimodel-mean bcc-csm1-1m BNU-ESM CanESM2 CCSM4 CESM1-BGC CESM1 CAM5 CESM1 WACCM CSIRO-Mk3-6-0 FIO ESM GISS-E2-H-CC HadGEM2-ES IPSL-CM5A-MR IPSL-CM5B-LR MIROC-ESM CHEM MIROC ESM MIROC5 MPI- ESM- LR MPI- ESM MR MRI CGCM3 NorESM1-ME Μultimodel-mean Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των μοντέλων με τα δορυφορικά δεδομένα έχουμε αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα για όλα τα μοντέλα για όλους τους μήνες της μελέτης. Ωστόσο αξίζει να αναφερθεί ότι η συμπεριφορά των μοντέλων δεν είναι ίδια κάθε μήνα. Για παράδειγμα το μοντέλο GISS-E2-H-CC φαίνεται να συμφωνεί πλήρως με τα δορυφορικά (πάντα σε επίπεδο μέσης τιμής πεδίου), το μήνα Ιανουάριο, ενώ εμφανίζει σημαντικές διαφορές το μηνά Ιούλιο, όπως φαίνεται και στα επόμενα σχήματα. 15 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 10 % Διάγραμμα 7.5:Σύγκριση μοντέλων και δορυφορικών για το μήνα Ιανουάριο % ΑΠΡΙΛΙΟΣ Διάγραμμα 7.6:Σύγκριση μοντέλων και δορυφορικών για το μήνα Απρίλιο 98

99 bcc-csm1-1m BNU-ESM CanESM2 CCSM4 CESM1-BGC CESM1 CAM5 CESM1 WACCM CSIRO-Mk3-6-0 FIO ESM GISS-E2-H-CC HadGEM2-ES IPSL-CM5A-MR IPSL-CM5B-LR MIROC-ESM CHEM MIROC ESM MIROC5 MPI- ESM- LR MPI- ESM MR MRI CGCM3 NorESM1-ME Μultimodel-mean bcc-csm1-1m BNU-ESM CanESM2 CCSM4 CESM1-BGC CESM1 CAM5 CESM1 WACCM CSIRO-Mk3-6-0 FIO ESM GISS-E2-H-CC HadGEM2-ES IPSL-CM5A-MR IPSL-CM5B-LR MIROC-ESM CHEM MIROC ESM MIROC5 MPI- ESM- LR MPI- ESM MR MRI CGCM3 NorESM1-ME Μultimodel-mean ΙΟΥΛΙΟΣ % Διάγραμμα 7.7:Σύγκριση μοντέλων και δορυφορικών για το μήνα Ιούλιο ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 8 6 % Διάγραμμα 7.8:Σύγκριση μοντέλων και δορυφορικών για το μήνα Οκτώβριο 99

100 Σε επίπεδο multimodel mean η καλύτερη συμφωνία μεταξύ μοντέλων και παρατηρήσεων εμφανίζεται το μήνα Οκτώβριο (διαφορά 0.88%) % 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0-1,0-2,0-3,0 Jan Apr Jul Oct Διάγραμμα 7.9:Σύγκριση μοντέλων και δορυφορικών (multimodel mean) 100

101 Β) ΧΡΟΝΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ Όσον αφορά στη χρονική εξέλιξη της ακτινοβολίας, τα μοντέλα προσομοιώνουν αρκετά ικανοποιητικά τα φαινόμενα Dimming Brightening, και αυτό φαίνεται μέσα από τις χρονοσειρές της μέσης ετήσιας τιμής. Η αύξηση της ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη από τη δεύτερη περίοδο μελέτης ( vs ) σε σχέση με την πρώτη ( vs ). Διάγραμμα 7.10: Διαφορά των μέσων ετησίων τιμών της ακτινοβολίας από την περίοδο αναφοράς ( ) (Μεσόγειος)(Multimodel-mean) Όπως φαίνεται και στους επόμενους χάρτες, τις ερχόμενες δεκαετίες ( ) αναμένουμε αύξηση των τιμών της ακτινοβολίας στην υπό μελέτη περιοχή, της τάξης του 3-5%, με τα μέγιστα να εμφανίζονται το μήνα Οκτώβριο στο βορειότερο τμήμα της περιοχής. Εικόνα 7.11: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( vs ) για το μήνα (multimodel-mean) 101

102 Εικόνα 7.12: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( vs ) για το μήνα (multimodel-mean)(clear sky) Εικόνα 7.13: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( vs ) για το μήνα (multimodel-mean)(total sky) 102

103 Εικόνα 714: Οι διαφορές (εκφρασμένες σε ποσοστό %) των δυο χρονικών περιόδων ( vs ) για το μήνα (multimodel-mean)(clear sky) ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: 103